JP3636736B2 - Voltage memory circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば、印加されるアナログ値をそのデジタル相当値に変換する前に記憶するためにアナログ・デジタル・コンバーターで使用する電圧記憶回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
添付図面の図15は、入力スイッチエレメント1と、記憶コンデンサー2と、高インピーダンス単一利得増幅器エレメント3を搭載する従来の電圧記憶回路を示している。もともと、スイッチエレメント1が閉じた位置(以下、クローズ位置)の時に、回路の入力ターミナル間に印加されるアナログ入力電圧Vi は記憶コンデンサー2に印加されるので、記憶コンデンサーのプレート間の電位差は入力電圧Vi に追従する。時間tswitchで予め設定された瞬間に入力スイッチエレメント1は開いた位置(以下、オープン位置)に切り替えられるので、この切替直前のコンデンサーのプレート間の電位差は、入力スイッチエレメント1が再びクローズされる時間まで記憶される。スイッチエレメントがオープン位置にある期間に於いて、記憶される電圧は出力電圧VO として回路の出力ターミナルの間で再生され、増幅器エレメント3は出力ターミナルに接続されている回路に依る記憶コンデンサーのローディングを防止するように機能する。
【0003】
図16は増幅器エレメント3の入力部を更に詳細に示している。この入力部は、増幅器エレメントのプラス電源ラインVddに接続されているドレイン電極と、エレメントのマイナス電源ラインVssに電流ソース32を経由して接続されているソース電極と、記憶コンデンサー2の1つのプレート(図15の上部プレート)に接続されているゲート電極を備えたFET入力トランジスター33を搭載している。FET入力トランジスター33はいわゆるソースフォロア構成で接続されていることがわかる。
【0004】
図16には図示されていないが、FET入力トランジスター33のソース電極と増幅器エレメントの出力の間に、ソース電極電位をバッファして出力電位VO を生成するために、更に別の回路が普通は挿入される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図16の増幅器エレメント3を使用すると、電流ソース32は電流がFET入力トランジスター33のドレイン─ソースチャンネルに流れるようにするので、そのソース電極電位VS はゲート電極電位すなわち記憶コンデンサー2の上部プレートの記憶されている電位VC に準じることになる。そこで、増幅器エレメント3の入力部は、実際にはソース電極電位VS が記憶コンデンサー2の上部プレートの電位VC より常に少し低いが、実質的に単一の電圧利得をもつことになる。
【0006】
入力部はゲート電流が非常に小さいFET入力トランジスターを採用しているので、増幅器エレメントの入力インピーダンスは非常に高い。従って、図15の電圧記憶回路の入力スイッチ・エレメント1がオープンされた後に、記憶コンデンサーは増幅器エレメント3に依っては十分なレベルに放電されないことになる。
【0007】
しかし、図16の増幅器エレメント3は、記憶コンデンサー2の上側プレートVC の電位が変動する時に、記憶コンデンサー2からその入力部に対する(または逆方向の)電荷流入が発生するという問題を有する。入力スイッチエレメント1がオープンされた後に、上側プレート電位のこの変動は普通は現れないが、本明細書で後で説明されるように、上部プレート電位VC は、入力スイッチエレメント1がオープンする瞬間のtswitchに於いて、入力スイッチ・エレメント1そのものに依るその瞬間時の電荷流入のために、どうしても変動する。入力スイッチエレメント1に依るこの電荷流入は、記憶コンデンサー2に記憶されている電圧に変動を誘導する。この変動は僅かであるが、高精度の場合には重大である。いいかえれば、スイッチエレメントがオープンされる瞬間のこの電荷流入は、或る変動をその上側プレートの電位VC に生じる。
【0008】
増幅器エレメント入力部に於ける電荷流入が、記憶コンデンサー2の上部プレート電位の変動に対応する理由が、ここで説明される。図16に図示されているように、FET入力トランジスター33は、どうしても僅かの寄生静電容量をその電極間にもっているので、ゲートとソース電極間にゲート・ソース寄生静電容量Cgs、ゲートとドレイン電極間にゲート・ドレイン寄生静電容量Cgd、ドレインとソース電極間にドレイン─ソース寄生静電容量Cdsが存在する。これらの3つの電極の電位が互いに相応して変動する時に、常に、電荷が寄生静電容量に流入または流出することになり、これらの電荷の流れの組み合わせが増幅器エレメント入力部に出入する電荷流入を生じることになる。
【0009】
図16の増幅器エレメントの場合、入力トランジスター33は前述のソースフォロア構成で接続されているので、そのゲートソース電位は、記憶コンデンサー2の上部プレート電位VC と関係なしに、実質的に一定になるので、ゲート─ソース寄生静電容量Cgssに起因する電荷流入は一般的に無視することができる。しかし、入力トランジスター33のゲート─ドレイン電位とドレイン─ソース電位は、各々Vdd−Vc とVdd−Vs であり、一定でないので、上部プレート電位Vc に基づいて変動する。そこで、Vc が変動されると、必ず、電荷はゲート─ドレイン寄生静電容量Cgdとドレイン─ソース寄生静電容量Cdsに流入または流出することになり、何れのケースでも電荷は増幅器エレメントの入力部に流入または流出することになる。
【0010】
入力スイッチエレメントがオープンしている時に、流れる電荷は、流れの方向に基づいて、記憶コンデンサー2を充電または放電しなければならない。この充電または放電が、記憶コンデンサー2のプレート間に記憶されている電圧に誤差を生じることになる。
増幅器エレメントの入力部の寄生静電容量の影響は、記憶コンデンサー2の静電容量が寄生静電容量そのものの静電容量に対して大きくない時に特に問題になり、それは、例えば、電圧記憶回路の達成時間を短縮することが必要な場合であると思われる。
【0011】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明の第1の態様によれば、電圧記憶回路は、記憶コンデンサーと増幅器エレメントを有する。記憶コンデンサーは、1つのプレートが入力スイッチ・エレメントを経由して回路の入力ターミナルに接続され、その他のプレートが回路の共通ターミナルに接続されていて、記憶される入力信号は回路が作動中の時に前記の入力と共通ターミナルの間に印加される。増幅器エレメントは、出力ターミナルと共通ターミナルの間で、記憶コンデンサーに記憶されている電圧に基づいて出力信号を与えるために、1つのプレートに接続される入力と回路の出力ターミナルに接続される出力を有している。そして、増幅器エレメントはデバイスの第1と第2の電流路電極のそれぞれの間に設けられている制御可能な電流路を備えていて、且つ電位が上記の電流路の電流の大きさを制御するために印加される制御電極も備えている電気入力デバイスを有していて、上記の制御電極は1つのプレートに接続されていて、なおかつ、第1と第2の電流路電極は第1電流路電極電位と第2電流路電極電位は共に制御電極電位に追従できように電位追従手段に接続されているので、電流は制御可能な電流路を流れるので、第1と第2の電流路電極の各々の電位は1つのプレートの電位に関して実質的に固定されたまま保持される。
【0012】
この設計の増幅器エレメントを使用すると、入力デバイスの制御電極、第1及び第2電流路の電極の電位は、回路が作動中の時に、相互に且つ1つのプレートに関して全て実質的に固定されるので、それらの電極間に存在する寄生静電容量は回路の動作にそれほど影響しない。これは、電荷が増幅器エレメントに流入または流出することを防止するので、結果的に記憶コンデンサーの上記の1つのプレートに接続されている増幅器エレメントの動作による記憶コンデンサーの充電/放電を防止することになる。このようにして、この充電/放電の結果として記憶されていた電圧に生じる誤差は解消される。
【0013】
電位追従手段は、第1電流路電極電位を制御電極電位に追従させるために前記の第1電流路電極に接続されている電流ソースと、第2電流路電極電位を第1電流路電極電位に追従させるために前記の第1と第2の電流路電極の間に機能的に接続されているアクティブフォロア手段を有していることが望ましい。
この構成に於いて、第1電流路電極は1つのプレート電位に自動的に追従させられるので、アクティブフォロア手段は、第1と第2の電流路電極の間で機能的に、すなわち入力デバイスの出力側で排他的に接続されて、第2電流路電極の要求される追従を達成することができる。
【0014】
前記の電気入力デバイスは、好ましくはFET入力トランジスターであり、前記の制御電極がFET入力トランジスターのゲート電極になり、第1電流路電極がFET入力トランジスターのソース電極になり、前記の第2電流路電極がFET入力トランジスターのドレイン電極になり、前記の制御可能な電流路がFET入力トランジスターのドレイン─ソースチャンネルに依って与えられる。
【0015】
このFET入力トランジスターは、入力スイッチエレメントがオープンされた後の記憶コンデンサーの放電を防止するような高入力インピーダンスを有する増幅器エレメントを有し、これによりFET入力トランジスターの不可避的に存在するゲート─ソース間、ゲート─ドレイン間、及びソース─ドレイン間の寄生静電容量が回路動作に影響しなくなる。
【0016】
入力デバイスがFETの時に、前記のアクティブフォロア手段は、そのドレイン─ソースチャンネルがFET入力トランジスターのドレイン─ソースチャンネルに直列に接続されているカスケード接続FETトランジスターを有するようにすることもでき、これによりカスケード接続トランジスターのソース電極電位はそのゲート電極電位に追従できる。なおかつ、前記のアクティブフォロア手段は、FET入力トランジスターのソース電極とカスケード接続トランジスターのゲート電極の間に機能的に接続されているバイアス発生器を、その間に実質的に一定の電位差を維持するために有することもできる。
【0017】
このカスケード接続構成は単純であるが効果的なので、カスケード接続FETトランジスターとFET入力トランジスターの直列接続は、カスケード接続トランジスターのソース電極電位がそのゲート電極に自動的に追従することを保証する。
増幅器エレメントは好都合に第1と第2の実質的に同じ回路部から構成されていて、第1の部分は前記の入力デバイスと前記のアクティブフォロア手段を有していて且つ第2の部分は前記の電流ソースを有している。
【0018】
この回路の対称性は、高い安定性と予測性を増幅器エレメントの動作時に、特に増幅器エレメントの入力と出力電位間の関係に関して提供できて、なおかつ、製造に好都合である。
前記の入力スイッチエレメントは、電気入力スイッチエレメントであることが好ましく、そのスイッチング電極の電位に基づいて動作し、回路は、入力スイッチエレメントがそのオン状態にある時にスイッチング電極電位を入力ターミナルに追従させるために接続されているスイッチ駆動手段を更に有しているのでスイッチング電極電位を入力ターミナル電位に関して実質的に固定された状態に保持し、なおかつ、スイッチング電極電位を入力ターミナル電位に相応して変動させるように動作するので、入力スイッチエレメントはそのオン状態からそのオフ状態に変更される。
【0019】
この回路に於いて、制御電極電位は入力ターミナル電位に関して固定されるので、オフ状態にスイッチングする瞬間に電気スイッチエレメントに流入される電荷量は入力信号のレベルと実質的に無関係になる。従って、この電荷流入に起因する記憶された電圧に於ける誤差は、異なる入力信号電圧に対して、実質的に一定、または少なくとも直線的になるので、適切な対策がこの誤差を補償するために施されることになる。
【0020】
前記のスイッチング電極電位は前記の出力信号から導かれるのが好ましく、この電位は入力信号をローディングまたは影響を与えずに達成されることができる。
前記のスイッチ駆動手段は、好ましくは、前記の出力ターミナルに動作的に接続されていて、なおかつ、そこで受信されるスイッチング信号に基づいて、前記のスイッチング電極に、オン電位を、前記の入力スイッチエレメントをそのオン状態に保持するために、または、オフ電位を、前記の入力スイッチエレメントをそのオフ状態に保持するために加えるように動作し、なおかつ、前記のオンとオフの電位は前記の出力ターミナル電位に関して各々実質的に固定されているが相互に予め設定された値に依って異なっている。
【0021】
この構成に於いて、オンとオフの電位は共に入力信号電位に関して固定されているので、入力スイッチエレメントに依る電荷流入は入力信号電位と関係せずに、実質的に一定になる。
電圧記憶回路も、各々第1と第2のバイアスラインが出力ターミナルの電位に対して各々固定されている電位とするために前記の出力ターミナルに機能的に接続され、第2バイアスラインの電位は前記のオンとオフの電位の1つと等しくて且つ前記の第1と第2のバイアスライン間の電位差は前記の予め設定された値より大きいか等しくなることができる。この場合、前記のスイッチ駆動手段は、その1つのプレートが前記のスイッチング電極電位を与えるために前記のスイッチング電極に接続されているブートストラップコンデンサーを有して、なおかつ、ブートストラップコンデンサーの両方のプレートと前記のバイアスラインに接続されていて且つ、スイッチング電極電位がそのオンとオフ電位の前記の1つからこれらの電位の他のものに変更される時に、ブートストラップコンデンサーの前記の1つのプレートを前記の第2バイアスラインに接続しその他のプレートを前記の第1バイアスラインに接続するように作動する充電構成から、前記の1つのプレートを第2バイアスラインから分離し前記の他のプレートを前記の第2バイアスラインに接続するように作動する浮遊構成に切り替わることができる接続手段も有しているので、前記の1つのプレートの電位を第2バイアスラインの電位からそれと異なる電位に前記の予め設定された値だけ変更させることができる。
【0022】
この構成に於いてオンとオフの電位の1つは、必要に応じて、回路の電源ラインの外側に位置することができる。
いずれにしろ、電圧記憶回路は、前記の出力ターミナルに機能的に接続されている各々第1、第2、第3のバイアスラインを、出力ターミナル電位に関して各々固定されている電位にするために有することができて、第3のバイアスライン電位は前記のオンとオフ電位の1つと等しくなり且つ前記の第1と第2ののバイアス・ライン間の電位差は前記の予め設定された値より大きいか等しくなる。この場合、前記のスイッチ駆動手段は、その1つのプレートが前記のスイッチング電極電位を与えるために前記のスイッチング電極に接続されているブートストラップコンデンサーを具備していて、なおかつ、ブートストラップコンデンサーの両方のプレートと前記のバイアスラインに接続されていて且つ、スイッチング電極電位がそのオンとオフ電位の前記の1つからこれらの電位の他のものに変更される時に、ブートストラップコンデンサーの前記の1つのプレートを前記の第3バイアスラインに接続するが他のプレートを前記の第1バイアスラインに接続するように作動する充電構成から、前記の1つのプレートを第3バイアスラインから分離するが前記の他のプレートを前記の第2バイアスラインに接続するように作動する浮遊構成に切り替わることができる接続手段も具備しているので、前記の1つのプレートの電位を第3バイアスライン電位からそれと異なる電位に前記の予め設定された値だけ変更させることができる。
【0023】
この例の場合、制御電極電位に於ける、スイッチエレメントがそのオンとオフ状態の1つにある時の前記の出力ターミナル電位から、スイッチエレメントがそのオンとオフ状態の別の状態にある時の前記の予め設定された値だけ出力ターミナル電位から異なる電位への要求される変更は、その電位がオンとオフ電位を直接与えるために適してないか又はその電位が出力ターミナル電位から予め設定された値より少なく異なっている状態或いはその両方の状態の内部バイアスラインを用いて達成されることができる。
【0024】
前記の電気入力スイッチエレメントはMOSFETトランジスターであることが好ましく、そのケースで前記のオンとオフ電位の1つは前記の出力ターミナル電位と実質的に同じになる。例えば、MOSFETトランジスターはn−チャンネルエンハンスメント型MOSFETの場合、オフ電位は出力ターミナル電位と実質的に同じなることができる。このMOSFETトランジスターを電気スイッチエレメントとして使用すると、適切なオンとオフ電位の生成は好ましいことに単純になり、特にオンとオフ電位が前記の1つのケースに於いては、出力ターミナル電位を制御電極に直接印加することに依って得られることができる。
【0025】
電圧記憶回路は、単一の基板上に形成されていて、増幅器エレメントの前記の入力スイッチエレメントと前記の入力デバイスは前記の基板を覆う材料の導電性と逆の導電性の1つまたは複数のウェルの内部に置かれていて、そのウェル或いは各ウェル電位を前記の1つのプレートの電位に追従させる手段があることが好ましい。ウェルの電位をこのように制御することに依って、回路の寄生静電容量(スイッチエレメントの静電容量と任意の内部接続部の静電容量を含めて)がブートストラップされることができる。ウェルは、例えば、回路の前記の出力ターミナルに電気的に接続されることができる。これは、ウェルの電位が出力ターミナル電位に追従することを可能にする。
【0026】
前記の記憶コンデンサーも該ウェルに置かれているので、それに付随される寄生静電容量をブートストラップすることができる。
1つまたは複数の導電性シールドがそれ或いは各々のウェルの部分を延長していて、なおかつ、そのシールド電位或いは各シールド電位を前記の1つのプレートの電位に追従させる手段があることが好ましい。これは、残留する寄生静電容量の影響を除去するうえで役に立つ。このケースに於いて、前記の導電性シールドも回路の前記の出力ターミナルに一般的に電気的に接続されているので、シールドの電位は出力ターミナルの電位に追従することができる。
【0027】
電圧記憶回路の増幅器エレメントが前述の2つの実質的に同じ回路部を有している時に、増幅器エレメントの前述の第1の部分は前記の1つまたは複数のウェルの内部に置かれていることが好ましく、なおかつ、増幅器エレメントの前記の第2の部分は1つまたは複数の更なるウェルの内部に形成されていて、導電性の各々が基質の周囲と反対側に位置していて、そのウェル或いは各更なるウェルの電位は回路の電源ラインの電位に関して実質的に固定される。
【0028】
電圧記憶回路は、前記の入力ターミナルと前記の入力スイッチエレメントの入力側の間に配置されていて、入力スイッチエレメントの入力側電位を、エレメントがオフ状態に変更された後に、記憶コンデンサーの前記の1つのプレートの電位に関して実質的に固定された状態に保持する、入力電位保持手段を更に搭載していることが好ましい。
【0029】
これにより、エレメントがオフに切り替えられた後に、入力信号電位が制御電極電位に相応して十分に変わる時に、入力スイッチエレメントが偶発的にオンに切り替えられることを防止することができる。
前記の入力電位保持手段は、前記の入力スイッチエレメントと直列に接続されていて、なおかつ、前記の入力スイッチ・エレメントがオフ状態に変更された後に、そのエレメントの入力側を前記の入力ターミナルから分離するように作動できるスイッチエレメントを更に有することもできる。このように、更なるスイッチエレメントのオープン後の入力信号電位の変動は入力スイッチエレメントの入力側電位に影響しない。
【0030】
前記の入力電位保持手段は、前記の入力スイッチエレメントの入力側と前記の記憶コンデンサーの他のプレートの間に接続されている補助コンデンサー、又は前記の増幅器エレメントと前記の入力スイッチエレメントの入力側の間に接続されていて、記憶コンデンサーの前記の1つのプレートの電位から誘導される電位をそこに印加するように動作でき、そのエレメントの入力側が分離されているフィードバックスイッチエレメントのいずれか又は両方を更に有することができる。
【0031】
前記の増幅器エレメントの利得は好都合なことに実質的に単位値になる。このケースでは、制御電極電位とウェル電位は出力ターミナル電位に好都合なことに「ブートストラップされる」ことができる、何故ならば、増幅器エレメントが実質的に単一の利得をもつ時に、バッファされる出力ターミナル電位は1つのプレートの電位/入力信号の電位と実質的に等しくなるからである。従って、要求される制御電極電位は入力信号に影響せずにバッファされる出力信号から誘導されることができる。
【0032】
前述の該電圧記憶回路(その増幅器エレメントが単位利得をもつ)は、電圧加算回路に有用な状態で搭載することができる。この電圧加算回路は、回路が動作中の時に第1と第2と第3の電位が印加される第1と第2と第3の入力ノードと、電圧記憶回路の出力ターミナルに接続される出力ノードと、前記の入力ノードと前記の電圧記憶回路に接続されているスイッチング手段を有する。このスイッチング手段は、電圧記憶回路の入力スイッチエレメントがオフ状態に変更された後に、入力構成から出力構成に切り替わることができて、前記の入力構成は、前記の第1と第2の入力ノードを電圧記憶回路の各々前記の入力と共通ターミナルに接続するように作動するので、電圧記憶回路の記憶コンデンサーの前記の第1と第2の電位の間の電位差の記憶を可能にし、なおかつ、前記の出力構成は、電圧記憶回路の共通ターミナルを前記の第3の入力ノードに接続するように作動するので、前記の出力ノードに於いて第3の電位および第1と第2の電位の間で記憶されている差の合計と実質的に等しい出力電位を生成することを可能にする。
【0033】
このような電圧加算回路は非常に高精度の電圧加算を行うことができるので、正確性は電圧記憶回路の寄生静電容量の影響が除去されることができる影響性だけに依って基本的に規定される。各電圧記憶回路に於いて、回路の種々の寄生静電容量(スイッチエレメントの静電容量、増幅器エレメント入力の静電容量、任意の内部接続部の静電容量)は前述の技術を用いてブートストラップされ、実質的には寄生静電容量の影響の除去に対する唯一の制約は増幅器エレメントの利得誤差から生じる。この利得誤差は、適切な設計の増幅器エレメントを採用することに依って非常に低いレベルに減少させることができる。
【0034】
第1と第2の電圧記憶回路についてはそれぞれ説明したが、それぞれ単位利得増幅器エレメントを持ち、電圧加算回路に有用な状態で搭載されることができる。電圧加算回路は、回路が作動中の時に、第1のペアの入力電圧は第1と第2の入力ノードに印加され、第2のペアの入力電圧は第3と第4の入力ノードに印加され、第3のペアの入力電圧は第5と第6の入力ノードに印加される第1、第2、第3、第4、第5、第6の入力ノードと、前記の第1と第2の電圧記憶回路の各出力ターミナルに接続されている第1と第2の出力ノードと、前記の入力ノードと前記の電圧記憶回路に接続されているスイッチング手段を有する。このスイッチング手段は、第1と第2の電圧記憶回路の各入力スイッチ・エレメントがオフ状態に変更された後に、入力構成から出力構成に切り替わることができて、前記の入力構成は、前記の第1と第2の入力ノードを前記の第1電圧記憶回路の各々前記の入力と共通ターミナルに接続し、なおかつ、前記の第3と第4の入力ノードを前記の第2電圧記憶回路のそれぞれの前記の入力と共通ターミナルにも接続するように作動するので、第1電圧記憶回路の前記の記憶コンデンサーに於いて、前記の第1のペアの2つの入力電圧間の第1の電位差の記憶を可能にし、なおかつ、第2電圧記憶回路の前記の記憶コンデンサーに於いて、前記の第2のペアの2つの入力電圧間の第2の電位差の記憶を可能にし、なおかつ、前記の出力構成は第1と第2の電圧記憶回路の各々共通ターミナルを第5と第6の入力ノードに各々接続するように作動するので、前記の第1と第2の出力ノードの間で、その間の電位差が前記の第3のペアの2つの入力電圧間の電位差と記憶されている第1と第2の電位差の合計と実質的に等しいペアの出力電圧を生成することを可能にする。
【0035】
2つの電圧記憶回路の逆並列接続に依って、その各々スイッチエレメントに依って流入される電荷の個々の(固定されている)量は、それらがオフ状態に切り替えられる瞬間に於いて、各々の回路として同じになるので、回路の入力と出力の違いを相互に効果的に解消することに注目すべきである。
第1と第2の電圧記憶回路については既に説明したが、それぞれは単位利得増幅器エレメントを持ち、別の好まれる実施事例に於いては、倍電圧回路に搭載されることができる。この倍電圧回路は、2倍にされ入力電圧が回路の作動中に印加される第1と第2の入力ノードと、第1と第2の電圧記憶回路の各々出力ターミナルに各々接続されている第1と第2の出力ノードと、前記の入力ノードと前記の電圧記憶回路に接続されているスイッチング手段とを有する。このスイッチング手段は、第1と第2の電圧記憶回路の各入力スイッチエレメントがオフ状態に変更された後に、入力構成から出力構成に切り替わることができて、前記の入力構成は、前記の第1入力ノードを前記の第1電圧記憶回路の前記の入力ターミナルと前記の第2電圧記憶回路の前記の共通ターミナルの両方に接続し、なおかつ、前記の第2入力ノードを前記の第2電圧記憶回路の前記の入力ターミナルと前記の第1電圧記憶回路の前記の共通ターミナルの両方に接続するように作動するので、前記の電圧記憶回路の各々記憶コンデンサーの各々が前記の入力電圧に充電されることを可能にし、なおかつ、前記の出力構成が第1と第2の電圧記憶回路の各々共通ターミナルを互いに接続するように作動して前記の記憶コンデンサーが前記の第1と第2の出力ノードの間で互いに直列に接続されるので、これらの出力ノードの間で、前記の入力電圧の実質的に2倍になる出力電圧を生成することを可能にする。
【0036】
また、2つの電圧記憶回路の逆並列接続は入力スイッチエレメントに依って流入される電荷を除去するので、2倍にされる電圧は非常に高精度になる。回路は、更に改善された速度/パワー/ノイズのつりあいを備えていて、同じ従来の提案より、おそらく10倍も優れていると思われる。
この倍電圧回路は、倍電圧動作をそれらの変換動作に於いて実施するアナログ・デジタル・コンバーター(A/D変換器)に搭載した場合に、特に有用である。このコンバーターは、電圧変換ステージに組み込まれる。この電圧変換ステージは、前述の倍電圧回路と、前記の入力電圧と等しい或いはそこから誘導される作動電圧を受信するために接続されていて且つ比較電位を受信するためにも接続されていて且つ比較をその作動電圧と前記の比較電位の間で実施し且つ比較の結果を示すデジタル・データを与えるように作動できる倍電圧回路と、前記の第1と第2の電圧記憶回路の各々共通ターミナルの間に接続されていて且つ、前記のスイッチング手段が前記の入力構成から前記の出力構成に切り替えられた後に、これらのターミナルの間で、前記のデジタルデータに依って、複数の予め設定された可能性のある値から選ばれた値をもつオフセット電圧を印加して、前記の出力ノードの間で前記の入力電圧の2倍から選ばれたオフセット電圧だけ異なるアナログ変換電圧を生成するように作動する電圧調整手段を有する。
【0037】
この電圧変換ステージに、前述の高精度倍電圧回路を使用すると、アナログ変換電圧は、2つの記憶コンデンサーを内部接続するために、複雑なスイッチング構成を使用せずに、入力電圧から好ましい高精度で誘導されることができる。このアナログ変換電圧は、例えば“3ステート・ロジック”タイプのアナログ・デジタル・コンバーターに要求されるように、入力電圧の大きさに基づいて選ばれた数多くの予め選択されたオフセット電圧の1つに依って、入力電圧の2倍からオフセットされることができる。前記の電圧調整手段は、前記の第1と第2の電圧記憶回路の各々共通ターミナルの間に接続されていて且つこれらのターミナルの間で前記のオフセット電圧を印加するように作動できる。このように、電圧調整手段は、選ばれたオフセット電圧と等しい電位差をコンデンサーの各々前記の他のプレートの間に存在させるために2つの記憶コンデンサーと直列に接続されていて、なおかつ、各々記憶コンデンサーはその各々プレートの間で入力電圧と等しい電位差をもつので、入力電圧の2倍からアナログ変換電圧の要求されるオフセットは、複雑で低精度の電圧加算器を使用せずに、単純に且つ高精度で達成される。
【0038】
好ましくは、前記のコンパレーター手段は前記の比較を実施するが、電圧記憶回路のスイッチング手段は前記の入力構成で高速オペレーションを提供する。
或る好ましい事例に於いて、前記のコンパレーター手段は前記の第1と第2の入力ノードに接続されているので、前記の入力電圧は、前記の作動電圧になり、なおかつ、前記の入力電圧がマイナスの前記の比較電位より低いか等しい時に該デジタル・データを提供し、なおかつ、比較電位が前記の入力電位より小さいか等しい時に第2のこのようなデジタルデータを提供し、なおかつ、第3の該デジタル・データを全ての他のケースに於いて提供し、なおかつ、そこでは、前記の第2のデジタルデータに依って選ばれたオフセット電圧が−Vref になり、+Vref が前記の第1のデジタルデータに依って選ばれるオフセット電圧になり、なおかつ、前記の第3のデジタルデータに依って選ばれるオフセット電圧はゼロになり、前記の比較電位はVref /4に実質的に等しくなる。
【0039】
コンパレーター手段のオフセット電圧から生じると思われるミスコードエラーに対するこの変換ステージで行われる変換演算の省略に依って、そのステージに依って実行される電圧変換動作の精度における改善は、全体的な変換精度の改善の形で得られる。
1つの特に優れたアナログ・デジタル・コンバーターは、各々が前述の電圧変換ステージであり、デジタル化されるアナログ電圧が一連の第1ステージの第1と第2の入力ノードの間に印加され、なおかつ、それぞれ次のステージの前述の第1と第2の入力ノードが直前のステージのそれぞれの第1と第2の出力ノードに接続されているN個のステージの列と、前記のステージの各々のスイッチング手段を次に前記の入力構成から前記の出力構成に切り替えさせるように作動できて、このスイッチングは、ステージの各々に於いて、第1ステージを除いて、直前のステージのスイッチング手段が出力構成にあるのでこのスイッチングの前に切り替えられるステージがその入力電圧としてその直前のステージに依って生成されるアナログ変換電圧を受信し且つそのアナログ変換電圧をそれに基づいてこのスイッチング後に生成する時に、行われるように制御する制御手段と、前記のN個のステージの列に依って与えられる前記のデジタルデータを受信するために接続されていて且つそこからデジタル出力ワードを誘導するように作動して、印加されたアナログ電圧の各々N+1ビットを比較するデータ処理手段とを有している。
【0040】
このアナログ・デジタル・コンバーターは、非常に瞬時に作動して、クロック周期の1つの完全なN+1ビット・デジタル出力ワードを生成できる。
好ましくは、このアナログ・デジタル・コンバーターは交互に第1と第2のクロック位相で作動し、なおかつ、前記の制御手段は、前記の第1クロック位相に於いて入力構成で列の奇数ステージの各々スイッチング手段を保持し、前記の出力構成で偶数ステージの各々スイッチング手段を保持するように作動するが、前記の第2クロック位相に於いて前記の入力構成で偶数ステージの各々スイッチング手段を保持し、出力構成で奇数ステージの各々スイッチング手段を保持するように作動する。
【0041】
この構成は、コンバーターが、ステージの制御を希望通りに単純に保ちながら、前述の高速で作動することを可能にする。
列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、ペアの第2ステージの前記の第1と第2の電圧記憶回路の各記憶コンデンサーが、ペアの第1ステージの同等の記憶コンデンサーより静電容量が小さくなり、1つ或いはこの各ペアの2つのステージの記憶コンデンサーの比率が約2:1になることが好ましい。これは、コンバーターの消費電力を低減する。
【0042】
列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、ペアの第2ステージの前記の第1と第2の電圧記憶回路の各々増幅器エレメント入力デバイスは、ペアの第1ステージの同等の入力デバイスより幅が狭くなることが好ましく、1つ或いは各ペアの2つのステージの入力デバイスの幅の比率が約2:1になれば、更に消費電力を低減することになる。
【0043】
更に、列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、ペアの第2ステージの前記の第1と第2の電圧記憶回路の増幅器エレメント入力デバイスの制御可能な電流路の各々電流はペアの第1ステージの同等の電流より小さくなり、1つ或いは各ペアの2つのステージの電流比は約2:1になることが好ましく、更に消費電力の低減を支援することができる。
【0044】
更に、コンバーターの第2からn番目のステージの各々に於いて、ここで2≦n≦Nの場合に、ステージの前記の第1と第2の電圧記憶回路の各記憶コンデンサーは、それぞれ直前のステージの同等の記憶コンデンサーの静電容量に対して、これらの第2からn番目のステージにかけて一定の第1スケーリングファクターに依って減少される静電容量をもつことが好ましい。静電容量を一定のスケーリングファクターに依ってこのようにスケーリングすると、コンバーターの消費電力を低減すること且つコンバーターの製造に要求されるチップ面積を減少することができる。
【0045】
前記の第1スケーリングファクターは2であることが好ましい。このスケーリングファクターの値は、低減される消費電力にとって最適なものになる。
更に、コンバーターの第2からn番目のステージの各々に於いて、すなわちここでは2≦n≦Nの場合であるが、ステージの各々の電圧記憶回路の増幅器エレメント入力デバイスは、直前のステージの同等の増幅器エレメント入力デバイスのチャンネル幅に対して、これらの第2からn番目のステージにかけて一定の第2スケーリングファクターに依って、減少されるチャンネル幅になることである。
【0046】
このように数多くの次のステージに対して一定のファクターでスケーリングすると、コンバーターの消費電力とそれに依って占められるチップ面積の減少にも貢献することができる。
前記の第2スケーリングファクターも2であることが好ましく、これにより最適な消費電力の減少を導くことになる。
【0047】
更に、コンバーターの第2からn番目のステージの各々に於いて、すなわちここでは2≦n≦Nの場合であるが、ステージの増幅器エレメント入力デバイスの前記の制御可能な電流路の各々の電流は、直前のステージの同等の制御可能な電流路の電流に対して、これらの第2からn番目のステージにかけて一定の第3スケーリングファクターに依って減少されるように制御されることが好ましい。
【0048】
このスケーリングはコンバーターの消費電力の低減に更に貢献することができる。
前記の第3スケーリングファクターも2であることが好ましい。この値は消費電力の低減に最適なものになる。
別の好ましい実施態様に於いて、列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、このペアの第2ステージにおけるオフセット電圧の前記の予め設定された可能性のある値の少なくとも1つは、このペアの第1ステージにおけるオフセット電圧の対応する予め設定された可能性のある値と比較されて部分的に調整される。
【0049】
この部分的な調整は、各ステージに用いられる増幅器エレメントの利得誤差の補正に使用されることができるので、これらの増幅器エレメントの不完全性にもかかわらず全体的なコンバーターの高精度の動作を維持することができる。
代わりに、または更に、前記のデータ処理手段は、これらの次のステージの電圧変換エラーの補正を推進するために、列の次のステージの各々のコンパレーター手段に依って与えられるデジタル・データを部分的に調整するように作動できる。
【0050】
別の優れたアナログ・デジタル・コンバーターは、各々が前述の電圧変換ステージである第1と第2のステージと、制御手段と、データ処理手段とを有している。これらの第1と第2のステージは、第1ステージの第1と第2の出力ノードが第2ステージの第1と第2の入力ノードにそれぞれ接続されていて且つ前記の第2ステージの第1と第2の出力ノードが第1のステージの第1と第2の入力ノードにそれぞれ接続されるように互いに接続されていて、なおかつ、デジタル化されたアナログ電圧が、コンバーターの反復変換動作の開始時に、前記の第1ステージの前記の第1と第2の入力ノードの間に印加される。前記の制御手段は、第1と第2のステージのスイッチング手段を、第1ステージから開始して、前記の入力構成から前記の出力構成に、交互に切り替えさせられるように作動し、この切替えは他のステージのスイッチング手段が出力構成にあるのでこのスイッチング前に或るステージはその入力電圧として他のステージに依って生成されたアナログ変換電圧を受信し且つそのアナログ変換電圧をそれに基づいてこのスイッチング後に生成する時に或るステージで行われるように制御する。データ処理手段は、前記の反復変換動作中に第1と第2のステージに依って交互に与えられる前記のデジタル・データを受信するために接続されていて且つ印加されるアナログ電圧の各々デジタル出力ワードをそこから誘導するように作動する。
【0051】
このアナログ・デジタル・コンバーターでは、2つのステージだけ変換動作を実施するために要求されるので、好ましいコンパクトで単純な設計になる。
本発明の第2の態様である電圧変換回路は、第1及び第2のクロック位相で交互に動作するものであり、コンバーターの動作中にデジタル化されるアナログ入力電圧が印加される第1及び第2入力ノードと、それぞれ第1及び第2記憶コンデンサーと入力及び出力ターミナルを有する単一の利得の増幅器エレメントとを含む第1及び第2の電圧記憶回路と、入力サンプリング手段と、第1及び第2の電圧記憶回路の増幅器エレメント出力ターミナルにそれぞれ接続された第1及び第2出力ノードと、コンパレーター手段と、電圧調整手段と、スイッチング手段と、データしょり手段とを備えている。第1及び第2の電圧記憶回路の増幅器エレメントは、デバイスの各第1及び第2電流路電極の間に設けられた制御可能な電流路とこの電流路における電流の大きさを制御するための電位が印加される制御電極とを有している電気的入力デバイスを備えており、この制御電極は増幅器エレメントの入力ターミナルに接続されており、第1及び第2電流路電極は電位追従手段に接続されて第1及び第2電流路電極の両方の電位が制御電極電位に追従するようになっている。この制御可能な電流路を電流が流れる間、第1及び第2電流路電極の各電位は入力ターミナルの電位に対して実質的に一定になるように維持される。入力サンプリング手段は、クロックの第1の位相の間、第1電圧記憶回路の入力ターミナルを第1入力ノードに接続し、第2電圧記憶回路の入力ターミナルを第2入力ノードに接続するように動作する。コンパレーター手段は、第1及び第2出力ノード更に比較電位を受けるように接続され、各クロック位相において、第1と第2出力ノード間の電位差と比較電位との比較を行い、比較結果を示すデジタルデータを与える。電圧調整手段は、1組の接続ターミナルを有しており、各クロック位相において、直前のクロック位相でコンパレーター手段によって与えられたデジタルデータに従って、複数のあらかじめ定められた値から選択した値を有するオフセット電圧を、これらのターミナル間に印加するように動作する。スイッチング手段は、クロックの第1位相において、2個の第1記憶コンデンサーと接続ターミナルを増幅器エレメントの各入力ターミナル間に直列に接続し、第2記憶コンデンサーを第1及び第2出力ノード間に互いに平行になるように接続するように動作し、クロックの第2位相においては、2個の第2記憶コンデンサーと接続ターミナルを増幅器エレメントの各入力ターミナル間に直列に接続し、第1記憶コンデンサーを第1及び第2出力ノード間に互いに平行になるように接続するように動作する。データ処理手段は、クロックの複数の位相に渡って、コンパレーター手段によって与えられたデジタルデータを受けるように接続されており、それから印加されたアナログ入力電圧を表すデジタル出力ワードを導出するように動作する。
【0052】
このようなアナログ・デジタル・コンバーターで変換動作を実行するには、1個のステージだけがあればよく、その結果特に小型化できる設計が可能になる。本発明の第3の態様のアナログ・デジタル・コンバーターは、1個のステージの出力は次のステージの入力になるように直列に接続された複数の相互に類似した電圧変換ステージを有しており、各ステージは、ステージの入力電圧を記憶するためにステージの入力に選択的に接続される記憶コンデンサーと、記憶された入力電圧に依存するステージの出力電圧を提供するために記憶コンデンサーとステージの出力間に選択的に接続される増幅器エレメントとを有している。列の最初のステージを除く少なくとも1ステージにおいては、記憶コンデンサー静電容量は直前のステージの記憶コンデンサー静電容量より小さいか、又は増幅器エレメントの入力トランジスターの幅は直前のステージの増幅器エレメントの入力トランジスターの幅より小さく、又は両方共に小さい。
【0053】
このような「スケール化された」電圧変換ステージの列を有するアナログ・デジタル・コンバーターは、全体として改善された雑音と消費電力の関係を適当にするトレードオフが行える。記憶コンデンサー静電容量又は入力トランジスタの幅又はその両方を1つのステージから次のステージへスケール化するファクター(スケーリングファクター)は、2に近似していることが望ましい。スケール化は、例えば、最初の6ステージについて順次スケール化し、残りのステージについては一定の大きさにするという具合に、最初の数ステージのみで止めてもよい。
【0054】
【実施例】
図1の電圧記憶回路は、好ましくはMOSFETトランジスターである電気スイッチエレメント1(以下、MOSFETトランジスターとする。)、記憶コンデンサー2、単位利得バッファ3、および出力ターミナル回路とMOSFETトランジスター1のゲート電極(制御電極)の間に接続されているブートストラップされるスイッチ駆動手段4,5を有している。
【0055】
図2は、図1の回路の増幅器エレメント3の構造の第1の例を示している。エレメント3は、2つの基本部、すなわちカスケードソースフォロア31と電流ソース32を搭載している。
カスケードソースフォロア31は、そのゲート電極が記憶コンデンサー2の1つのプレート(図1の上部プレート)に接続されているn−チャンネルMOSFET入力トランジスター33を搭載している。入力トランジスター33のドレイン─ソースチャンネルは、これからカスケードトランジスター34として引用される、更なるn−チャンネルMOSFETトランジスターのドレイン─ソースチャンネルと直列に接続されている。カスケードトランジスター34のドレイン電極は回路のプラスの電源ラインVddに接続されているが、入力トランジスター33のソース電極は回路の出力ターミナルOUTに接続されている。
【0056】
カスケードソースフォロア31にも、バイアス発生器35が入力トランジスター33のソース電極とカスケードトランジスター34のゲート電極の間に接続されている。このバイアス発生器は、実質的に一定の電位差をカスケードトランジスターのゲート電極と入力トランジスター33のソース電極の間で、ソース電極電位の変動と関係なしに保持するように作動する。
【0057】
電流ソース32は、カスケードソースフォロア31と実質的に同様に構成されていて、回路の出力ターミナルOUTと回路のマイナス電源ラインVssの間に直列に接続されている、2つのn−チャンネルMOSFETトランジスター36と37(カスケードソースフォロア31のトランジスター33と34に各々対応している)と、実質的に一定の電位差をトランジスター37のゲート電極とトランジスター36のソース電極の間で保持するように作動する付随されるバイアス発生器38(カスケードソースフォロア31のバイアス発生器35に対応している)を有している。このケースで、トランジスター36のソース電極はマイナス電源ラインVssに直接接続されているので、トランジスター37のゲート電極電位はマイナス電源ラインに対して固定されている。電流ソース32はバイアス入力BIASがトランジスター36のゲート電極に接続されている。バイアス電位は、これから後で説明されるように、エレメントの動作を制御するために電流ソース32のバイアス入力に印加されることができる。
【0058】
電流ソース32はカスケードソースフォロア31に直列に接続されているので、それはプラスとマイナスの電源ラインVddとVssの間に電流路を完成させるように働く。
図2の増幅器エレメントの動作に関して、電流ソースは、実質的に一定の電流が前述の電流路すなわちカスケードソースフォロア31のトランジスター33と34の各々に流れるように作動する。これは入力トランジスター33のソース電極電位をそのゲート電極電位に追従させるので、出力ターミナルの電位VO は記憶コンデンサー2の上部プレートの電位Vcに追従することになる。そこで、エレメントの電圧利得は実質的に単位値になる。
【0059】
同様に、カスケードトランジスター34のソース電極電位はそのゲート電極電位に追従させられ、その電位は順にバイアス発生器35に依って入力トランジスター33のソース電極電位に対して実質的に固定されて保持される。そこで、入力トランジスター33のドレイン電極電位は、そのソース電極電位に追従し、記憶コンデンサー2の上部プレートの電位Vc にも追従することになる。
【0060】
明らかになるように、記憶コンデンサー2の上部プレートの電位Vc と関係なしに、入力トランジスター33のソースとドレインの電極電位は互いに且つその入力トランジスターのゲート電極電位に対して各々実質的に固定される。そこで、ゲート─ソース、ゲート─ドレイン、ドレイン─ソースの寄生静電容量Cgs、Cgd、Cdsは、記憶コンデンサー2の上部プレートの電位Vcが変動しても、充電または放電されないので、これらの寄生静電容量は記憶コンデンサー2に記憶されている電圧に対して実質的に影響しない。
【0061】
入力トランジスター3はFET入力トランジスターなので、ゲート電流は実質的にゼロになり、記憶コンデンサーに記憶されている電荷は、入力スイッチエレメント1がオープンされた後に増幅器エレメント3の動作に依って実質的に除去されない。
図2の増幅器エレメントの場合、実際の出力ターミナルの電位は、上部プレートの電位Vc と完全に等しくないが、次に示すように、トランジスター33がオンである時のゲート─ソース電圧差に従って少し低下される、
O =VC −(VT +VDSAT
ここで、VT は入力トランジスター33のしきい(スレショルド)電圧であり、VDSATは入力トランジスター33の飽和電圧である。
【0062】
図2から明らかになるように、カスケードソースフォロア31と電流ソース32は互いに実質的に同様に構成されている。従って、カスケードソースフォロア31の入力トランジスター33の対応部は電流ソース32でトランジスター36になり、そのトランジスター36に前述のバイアス電位が印加される。同じ電流がトランジスター33と36の各々のドレインソースチャンネルに流れ且つこれらのトランジスターは同じ寸法なので、トランジスター33のゲート─ソースの電位は、電流ソース32のトランジスター36のゲート─ソース電位を調整することに依って制御されることができる。このトランジスター36のゲート─ソースの電位はバイアス電位とマイナス電源ラインの電位の間の差に等しいので、適切な一定のバイアス電位をバイアスターミナルに加えると、出力ターミナルの電位Voと記憶コンデンサー2の上部プレートの電位VC の間の差は、望ましい小さい一定のレベルにセットされることができる。
【0063】
図2の増幅器エレメントの場合、トランジスター33、34、36、37はデプレションまたはエンハンスメント型にすることができる。
図3は、デプレション・タイプn−チャンネルMOSFETトランジスターを使用して高速動作を提供する、増幅器エレメント3の構造の更なる詳細な例を示している。図3の例の場合、増幅器エレメントは再びカスケードソースフォロア31と電流ソース32を搭載していて、なおかつ、カスケードソースフォロア31のFET入力トランジスター33は図4の引例を用いて既に説明されたカスケードソースフォロアの構成に再び接続されていて、トランジスター33のゲート電極は記憶コンデンサー2の上部プレートの電位VC を受信するように接続されていて、トランジスター33のソース電極は回路の出力ターミナルOUTに接続されていて、トランジスター33のドレイン電極は第1と第2のカスケードトランジスター341と342を経由して回路のプラスの電源ラインVddに接続されている。
【0064】
この場合、カスケードバイアス発生器35は適切なバイアス電位を第1と第2のカスケードトランジスター341と342の各々ゲート電極に加えるために接続されている3つの直列接続トランジスター351、352、353を搭載しているので、カスケードトランジスター341と342の各々ゲート電極は入力トランジスター33のソース電極電位に関して実質的に固定される電位に各々保持される。
【0065】
図3の増幅器エレメントの電流ソース32は、そのカスケードソースフォロア31と同様に構成されていて且つ、入力トランジスター31のソース電極とマイナス電源ラインVSSの間に接続されている、3つの直列接続トランジスター36、371、372(カスケードソースフォロア31のトランジスター33、341、342各々対応する)を搭載している。このケースで、トランジスター36のゲート電極電位(図2の増幅器エレメントのバイアス入力に加えられるバイアス電位と同じである)はマイナス電源ラインVSSから与えられるが、トランジスター371と372の各々のゲート電極電位は3つの直列接続トランジスター381乃至383を搭載するバイアス発生器38(カスケードソースフォロア31のバイアス発生器35と同様に構成されている)に依って与えられる。バイアス発生器35と38は、更なる電流路をその間に完成させるために、プラスとマイナスの電源ラインの間で互いに直列に接続されていることが分かる。
【0066】
図3の増幅器エレメントの場合、電流ソース32のトランジスター36のゲート電極がマイナス電源ラインVSSに直接接続されているので、トランジスター36のゲートとソースの電位は互いに等しい。同じドレイン−ソース電流があたかも電流ソース32の対応するトランジスター36に流れるように入力トランジスター33を流れ、なおかつ、カスケードソースフォロア31と電流ソース32は実質的に同じ構成になるので、カスケードソースフォロア31のゲートとソースの電位も電位的に互いに実質的に同じになる。そこで、図3の増幅器エレメントの電圧利得は図2の増幅器エレメントより単位値(約0.9995)に近くなる。図2の増幅器と同様に、図3の増幅器エレメントも高速動作を行うことができる。他の点では、しかし、図3のエレメントの動作は図2の増幅器エレメントと実質的に同じである。
【0067】
ここで図1に戻ると、ブートストラップされるスイッチ駆動手段は、回路の出力ターミナルに接続される入力を持ち且つその各々の出力でその各々が出力ターミナル電位と一定のオフセットを持つ電位VhighとVlow (Vhigh>Vlow )を与えるように作動する電位生成回路4を搭載している。これらの2つの電位は、MOSFET1のゲート電極に加えて、それをそのオンとオフ条件に保持するために適切なレベルでなければならない。
【0068】
2つの電位VhighとVlow は入力としてスイッチング信号CKも受信する選択(セレクター)エレメント5に印加される。セレクター回路5の出力は、MOSFETスイッチエレメント1のゲート電極に、その電位を制御するために接続されている。セレクターエレメント5はゲート電極電位を2つの電位VhighとVlow の間でスイッチング信号CKに基づいて切り替える。この信号CKは、電圧記憶回路の動作を制御するデジタル論理回路に依って与えられる論理信号になる。
【0069】
入力スイッチエレメントがオフする時に記憶コンデンサー2に対するMOSFET入力スイッチエレメント1に依る偶発的な電荷流入を防止するために、MOSFETのゲート電極に加えられる制御電位は、図4の引例を用いてこれから説明されるように、少なくともMOSFETがオンの時に、入力ターミナル電位に関して実質的に固定されなければならない。
【0070】
図4は、入力スイッチエレメント1、この例の場合n−チャンネルエンハンスメント型MOSFETを詳細に示している。MOSFET1は、スイッチエレメントの入力ターミナルINを与えるソース電極と、スイッチエレメントの出力ターミナルOUTを与えるドレイン電極と、2つの前述の制御電位VhighとVlow の間で交互に切り替えられるように接続されるゲート電極を搭載している。トランジスターのドレイン−ソースチャンネルは、そのゲートチャンネルの電位がゼロ(またはマイナス)の時に非導通状態になり、加えられる制御電位がVlow (≦VO )の時にスイッチエレメントの出力ターミナルはその入力ターミナルから分離され、この条件のスイッチエレメントのオフ抵抗(Roff )は一般的に10,000MΩより大きくなる。ゲート電位がVhigh(>VO )に充電されると、この条件のスイッチエレメントのオン抵抗(Ron)は10又は100sのオームの単位になる。
【0071】
図1に図示されているような電圧記憶回路を用いるアナログ・デジタル・コンバーターの場合、スイッチエレメント1の動作はコンバーターのデジタル論理回路に依って制御されることが普通要求され、なおかつ、部分的にこの理由のために、従来の提案では固定されるデジタル論理電位(例えば0ボルトと+Vddボルト)がエレメントのスイッチングを制御するためにゲートに便宜上加えられていた。
【0072】
しかし、このデジタル論理電位がここで説明されるようにして用いられる時に、問題が発生する。
図4のMOSFETスイッチエレメント1は、やむを得ず、寄生ゲート─チャンネル静電容量Cgsをそのゲート電極とそのドレイン─ソースチャンネルの間にもっている。この寄生静電容量は、ゲートとFETのチャンネル間の物理的なオーバーラップに起因する第1の成分と、FETがオン条件の時にチャンネルに記憶されている電荷に付随する第2の成分をもっている。この第2の成分はチャンネル電位と共に(すなわち切り替えられる信号の電位Vi と共に)しかし偶発的に変動する。
【0073】
ゲートチャンネルの静電容量は切り替わる瞬間tswitchに電荷流入をゲートからチャンネルに与え、これは順にエラーを記憶されている電圧に与える。前述のゲートチャンネルの静電容量の第1成分に起因する電荷流入は、tswitchに於けるゲート電圧△VG の変動に基本的に依存する(例えば0−VDD=−VDD)ので、tswitchに於けるチャンネル電位Vi に実質的に依存しない。しかし、ゲートチャンネルの静電容量の第2成分に起因する電荷流入は、スイッチングの瞬間のゲート電位に対応する入力信号の電位Vi に依って影響され、前述の電圧記憶回路の誤差及び動作における非直線性を生じる。
【0074】
このような電荷流入を、例えば僅かに調整できるコンデンサーを通るゲート信号の反転されたものを結合して補償することは現実的な方法でない、何故ならば、前述のゲートチャンネル静電容量の第2成分が的確に予測できないからである。
デジタル論理電位のように、固定される制御電位を使用する従来の提案の場合、切り替わる瞬間tswitchに於ける電荷流入の影響は、回路の達成時間を短縮するために小さい静電容量をもつ記憶コンデンサーを使用することが望まれる場合に大きくなる。
【0075】
しかし、図1のブートストラップされるスイッチ駆動手段4、5の場合、少なくともスイッチエレメント1に加えられる制御電位は、それをオン条件に保持するために、入力ターミナルの電位Vi に対して固定されるので、エレメント1に依って流入される電荷量は、それがオフに切り替えられる時に、入力ターミナルの電位と無関係に実質的に一定になる。この電荷流入は一定なので、それは一定の誤差を記憶されている電圧に導き、これは容易に補償されることができる。
【0076】
偶発的に、或る場合にスイッチエレメント1に加えられる制御電位は、図1のように入力電位Vi で変わるより、むしろ固定される(オンと逆に)オフ条件に保持される時に可能になる場合がある。これは、前述のゲートチャンネルの寄生静電容量Cgcの第1成分が直線性の特性であるためである。
要求される電位VhighとVlow はMOSFET1に用いられるMOSFETNO形式とスレショルド電圧に依存する。このスイッチエレメントはエンハンスメント型又はデプレション型であり、且つn−チャンネル又はp−チャンネルになる。n−チャンネルMOSFETの場合、Vhighがゲート電極に加えられるとMOSFETをオンにし(すなわちVhighがオン電位になる)、Vlow が加えられるとそれをオフにする(すなわちVlow がオフ電位になる)が、p−チャンネルMOSFETの場合、Vhighがゲート電極に加えられるとMOSFETをオフにする(すなわちVhighがオフ電位になる)、Vlow が加えられるとそれをオンにする(すなわちVlow がオン電位になる)。
【0077】
スレショルド電圧VT をもつn−チャンネルMOSFETの場合、低いオン抵抗の時に、
high−Vi ≧VT +Von
ここでVonは予め設定された電位差である。
同様に、高いオフ抵抗の時に、
low −Vi <VT +Voff
ここでVoff も予め設定された電位差である。
【0078】
オンとオフの電位の差は従ってVon+Voff になり、これは少なくとも数百mVでなければならない。
出力ターミナルの電位VO を用いて直接2つの電位VhighとVlow の1つを与えることができる。例えば、MOSFETスイッチエレメント1がn−チャンネルデプレション型スイッチエレメントの場合、Vhighは単純にVO になる。同様に、MOSFETスイッチエレメント1がn−チャンネルエンハンスメント型スイッチエレメントの場合、Vlow は出力ターミナルの電位VO になる。
【0079】
図1の電圧記憶回路に電位生成回路4が出力ターミナルとセレクター回路5の間に挿入されて図示されている。しかし、この回路4は、要求される電位VhighとVlow が回路の従来の内部バイアスライン上で、特に増幅器エレメント3の内部バイアスライン上で既に使用できる時に、一部のケースで省略される場合がある。代わりに、図7の例を用いて更に詳細に後で説明されるように、要求される電位VhighとVlow は、電位VhighとVlow を与えるために直接には適していない内部バイアスライン電位から導かれる場合がある。
【0080】
前述の増幅器エレメント3の的確な構成の例に於いて、増幅器エレメントは、ゲート電極バイアス電圧をエレメントの内部バイアスライン上で与えるバイアス発生器35と38を搭載していることは明らかである。これらのバイアス電圧は出力ターミナルの電位を追従する。
これらの内部バイアスラインの電位レベルは、要求されるオンとオフの電位を、スイッチエレメント1のスイッチングの制御に使用するために直接提供するのに適していて、その場合に図1の回路の電位生成回路4はもちろん全体的に省略されることができる。
【0081】
他のケースに於いて、増幅器エレメントはペアの内部バイアスラインを搭載していて、その間の電位差は要求されるオンとオフの電位間の差(Von+Voff )より大きいか等しくなると思われる。しかし、ペアの内部バイアスラインの各々の電位レベルは、オンとオフの電位を直接与えるのに必ずしも適していないと思われる。代わりに、要求されるオンとオフの電位の1つは、例えば、エンハンスメント型MOSFETスイッチエレメントの場合のオン電位またはデプレション型MOSFETスイッチエレメントの場合のオフ電位は、或る場合に回路の電源ラインの外部に位置する必要があるかも知れない。
【0082】
これらの難しい問題は、図5の引例を用いて次に説明される増幅器エレメント3とスイッチ駆動手段4、5に適した回路構成を採用することに依って解決されることができる。
図5の場合、増幅器エレメント3は、主としてエンハンスメント型n−チャンネルMOSFETトランジスターから作られているが、図2と3に図示されている例と類似の状態で構成される場合もあり、なおかつ、カスケードソースフォロア31と電流ソース32をプラスの電源ラインVddとマイナスの電源ラインVssの間で直列に接続されて搭載している。前述のように、カスケードソースフォロア31は、入力トランジスター33とカスケードトランジスター341を、更にプラスの電源ラインVddとトランジスター331のドレイン電極の間に接続されている、トランジスター342を加えて、またプラスの電源ラインVddと入力トランジスター33のソース電極の間に、更なるトランジスター353と共に、直列に接続されているトランジスター351と352を搭載するカスケードバイアス発生器35を搭載している。このケースで、回路の出力ターミナルOUTは、増幅器エレメントが作動中の時に、トランジスター33のゲート電極と実質的に同じ電位に、すなわちゲート電極に接続されている記憶コンデンサー2の上部プレートの電圧VC に保持される、トランジスター351のドレイン電極に接続されている。この点に関して、トランジスター342と353は、トランジスター351の電流が入力トランジスター33と同じであることを保証することに依って増幅器の利得エラーを減少するように機能するPMOSカレントミラーを構成するために選択され且つ接続されているので、出力電圧は入力電圧にほぼ追従する。しかし、PMOSカレント・ミラーのこの使用はオプションであることに注意すべきである。
【0083】
図5の増幅器エレメント3は、トランジスター31のソース電極に接続される第1内部バイアスラインL1を搭載している。電流が流れている時に、この内部バイアスラインは、トランジスター31のスレショルド電圧VT に等しい大きさだけコンデンサーの電圧VC より低い電位V1 、すなわち、V1 =VC −VT に保持される。
【0084】
増幅器エレメント3はカスケードバイアス発生器のトランジスター351のドレインに接続されている更なるバイアスラインL′を搭載していて、そこでは(前述の)バイアス・ラインは回路が作動中の時に実質的にコンデンサーの電圧VC 保持されているが、内部バイアスラインL1とL′間の電位差はスイッチエレメント1の制御に要求されるオンとオフの電位間の前述の電位差(Von+Voff )より小さい。しかし、カスケードバイアス発生器35のトランジスター351と352の間にあるトランジスター352は、エレメントの第2のバイアスラインL2に於いて、トランジスター352のスレショルド電圧VT と実質的に等しい大きさだけ、出力ターミナルの電位VO より常に大きさ電位V2 を生成するように作動する。第1と第2のバイアスラインL1とL2の間の電位差は2つのトランジスターのスレショルド電圧2VT と実質的に等しく、そこでは電位差はスイッチエレメント1のオンとオフの電位の間で要求される差(Von+Voff )より大きいか等しい。
【0085】
これらの電位V1 とV2 を使用して要求されるオンとオフの電位を生成できるスイッチ駆動手段4、5の例がここで説明される。この例で、スイッチエレメント1はn−チャンネルエンハンスメント型になるので、オフの電位Vlow は、こ出力ターミナルの電位VO そのものになり、オンの電位はVhigh≒Vlow +2VT になるこのオン電位は、この例におけるプラスの電源ラインVddより高くなることができる。
【0086】
図5に於いて、電位生成手段4は、ブートストラップコンデンサー44と、制御可能な接続をブートストラップコンデンサー44のプレートと内部バイアスラインL1とL2と出力ターミナルOUTの間で与えるために接続されているトランジスター451乃至453とを搭載する接続手段45を搭載している。
接続手段45のトランジスター451乃至453は、スイッチエレメント1がオフの時に論理レベルが高くなり且つスイッチエレメント1がオンの時に論理レベルが低くなる論理信号SWを各々受信する。
【0087】
論理信号SWはスイッチエレメント1の制御に用いられるスイッチング信号CKから導かれるので、スイッチング信号CKに基づいてそれを高い論理レベルから低い論理レベルに変更することができる。
トランジスター451は、p−型トランジスターなので、論理信号SWの論理レベルが低い時にオンになり、トランジスター452と453は、n−型トランジスターなので、論理信号SWの論理レベルが高い時にだけオンになる。
【0088】
p−型トランジスター451は第2のバイアスラインL2とブートストラップコンデンサー44のマイナスのプレートの間に接続されていて、n−型トランジスター452はそのプレートと第1のバイアスラインL1の間に接続されていて、n−型トランジスター453はブートストラップコンデンサー44のプラスのプレートと出力ターミナルOUTの間に接続されている。
【0089】
ブートストラップコンデンサー44のプラスのプレートはスイッチエレメント1のゲート電極に恒久的な構造で接続されている。
図5のスイッチ駆動手段4、5の動作は次のようになる。論理信号SWがスイッチエレメントをオフ条件にさせる高論理レベルの時に、n−型トランジスター452と453はオンに切り替えられるので、ブートストラップコンデンサー44のプラスのプレートとスイッチエレメント1のゲート電極は出力ターミナルVO (Vlow )の電位に保持されるが、コンデンサー44のマイナスのプレートは第1バイアスラインL1の電位V1 (=VO −VT )に保持される。そこで、ブートストラップコンデンサーはVT と実質的に等しい電位に充電される。
【0090】
論理信号SWがここで、スイッチング信号CKに対応して、高論理レベルから低論理レベルに変更されて、スイッチエレメントをオンにすると、n−型トランジスター452と453は共にオフに切り替えられ、p−型トランジスター451はオンに切り替えられる。そこで、ブートストラップコンデンサー44のマイナスのプレートは、そのプラスのプレートが出力ターミナルの電位VO から分離される時に電位をV1 からV2 に変えることになる。その結果、プラスのプレートの電位はマイナスのプレート電位の変動(V2 −V1 ≒2VT )にしたがって自由に変わり、プラスのプレート電位はV2 −V1 だけ変わる。その結果、スイッチ・エレメント1のゲートの電極電位は、たとえVO +2VT >Vddの場合でも、出力ターミナルの電位VO (=VLOW )からV+2VT (=Vhigh)に変わる。
【0091】
ブートストラップコンデンサー44の静電容量は、スイッチングの瞬間のブートストラップコンデンサー44のプラスのプレートの電位の変化の割合が、そのマイナスのプレートの電位で対応する変化に比べて不当に小さくならないようにするために、スイッチエレメント1のゲートの静電容量に比べて大きいことに注目されるべきである。
【0092】
前述のように、スイッチングを制御するために用いられるスイッチング信号CKに基づいて作動する、ブートストラップコンデンサーと適切な接続手段を使用すると、要求されるオンとオフの電位が回路の内部バイアス・ラインの電位から、これらのラインがこれらのオンとオフの電位を直接与えることに適している電位を備えていない時でも導かれることを可能にする。ブートストラップコンデンサー44は、これらのオンとオフの電位が回路の電源ラインの外部にくることも可能にする。更に、オンとオフの電位の生成時に回路に必ず既に存在する内部バイアス・ラインの使用は、要求される回路の大きさを大幅に節約する結果になる。
【0093】
好ましくは、図1の電圧記憶回路は、スイッチエレメント1の静電容量、増幅器エレメント3の入力静電容量、任意の内部接続部の静電容量を含めた、回路の全ての寄生静電容量のブートストラップを可能にするために、集積回路として構成されている。
この目的を達成するために、図1の回路のスイッチエレメント1、記憶コンデンサー2、増幅器エレメント3の部品は、基板の周囲の部材と逆の導電タイプのウェル(図1の7に表されている)に好都合に形成されている。例えば、集積回路はn−基板をもつCMOSタイプの時に、スイッチエレメント1、記憶コンデンサー2、バッファエレメント3が形成されるウェル7は、p−導電タイプになる。ウェルは、その電位が記憶コンデンサー2の上部プレートの電位VC に関して実質的に固定されるように接続されている。例えば、ウェルは、図1に図示されているように、回路の出力ターミナルに電気的に接続されることができる。
【0094】
図6は、該集積回路の内部に於いて、増幅器エレメント3が図2に図示されているように実質的に構成される時の図3の電圧記憶回路に関して、1つの考えられるレイアウトを示している。図6に図示されているように、スイッチエレメント1、記憶コンデンサー2、入力トランジスター33、増幅器エレメント3のカスケードトランジスター34は、n−基板8nで形成されるp−ウェル7pの内部に形成されている。電流ソース32、電流ソースバイアス発生器33(共に図6に図示されていない)、カスケードバイアス発生器35とスイッチ駆動手段4、5は、ウェル7pの外部に形成されている。カスケードバイアス発生器35とスイッチ駆動手段4、5は代わりにウェルの内部に位置することもできる。
【0095】
図6に詳細に図示されているように、図1の回路の入力電圧はその入力ターミナル(IN)11と共通ターミナル(COM)12の間に加えられ、共通ターミナル11は記憶コンデンサー2の下部プレート21に接続されている。記憶コンデンサー2の上部プレート22はトランジスター33のゲート電極33gとスイッチエレメント1のドレイン電極1dにも接続されている。スイッチエレメント1のソース電極1sは入力ターミナル(IN)11に接続されている。
【0096】
回路の出力ターミナル(OUT)13はトランジスター33のソース電極33sに接続されていて、トランジスター33は共通のチャンネル33cをカスケードトランジスター34と共に搭載して形成されている。カスケードトランジスター34のドレイン電極34dはプラスの電源レールVddに接続されていて、そのゲート電極34gは、カスケードバイアス発生器35を経由して、出力ターミナル13に接続されている。スイッチ駆動手段4、5は回路の出力ターミナル13とスイッチエレメント1のゲート電極1gの間に接続されている。
【0097】
p−ウェル7pは、図6の(B)に図示されているように、n+ チャンネル33cに隣接するその位置でp−ウェル7pの内部に与えられているp+ コンタクト部9に依って出力ターミナル13に電気的に接続されている。コンタクト10は、コンタクト部9を出力ターミナル13に、図6の(A)に図示されているようにして接続している。また、図6の(B)に図示されているように、シールド15がウェル内部のデバイスに対してオプションで与えられていて、そこでは、シールドは回路の出力ターミナル13にコンタクト16に依って電気的に接続されている。
【0098】
それらは図6に於いてp−ウェルで形成されているので、増幅器エレメント3のMOSFETスイッチエレメント1とトランジスター33と34はn−チャンネルタイプでなければならないことが認められる。
図3の増幅器エレメントの場合、カスケードソースフォロア31(FET入力トランジスター33、カスケードトランジスター341と342、カスケードバイアス・ゼネレーター35のトランジスター351乃至353を含めて)は記憶コンデンサー2とスイッチエレメント1を搭載する回路のp−ウェルの内部に全体的に形成されている。前述のように、ウェルは、例えば、回路の出力ターミナルOUTに電気的に接続されている。図3の増幅器エレメントの電流ソース32は、そこで、回路のポイントに電気的に接続されていなければならない、第2p−ウェルで形成される。その電位は、回路の電源ライン、例えば、マイナスの電源ラインそのものに対して固定されている。
【0099】
図1の回路の場合、スイッチエレメント1、記憶コンデンサー2、増幅器3が1つのウェルに互いに形成されることは不可欠の条件でない。図7の場合、例を用いて説明すると、スイッチエレメント1と記憶コンデンサー2と増幅器エレメント3は、それぞれ異なるp−ウェル71p、72p、73pで形成されている。
【0100】
p−ウェル71pは、補助バッファエレメント17とコンタクト18と19を経由して回路の出力ターミナル(OUT)13に電気的に接続されており、出力ターミナルに対して実質的に固定される電位にあり、従って記憶コンデンサー2の上部プレートの電位に対しても実質的に固定される電位にある。
p−ウェル72pは、スイッチエレメント1がオフ条件の時に、上部プレートの電位に対して実質的に固定される電位とするために、コンタクト23を経由して記憶コンデンサーの下部プレート21に電気的に接続されいる。
【0101】
p−ウェル73pはコンタクト18に依って回路の出力ターミナル(OUT)13に電気的に接続されいるので、それは記憶コンデンサー2の上部プレートの電位に対して実質的に固定される電位にもなる。
ウェル71P、72p、73pの外部にある回路エレメント1、2の間の内部接続部の部品14、24は、その電位がウェルの電位と同じに保持される内部接続シールド部151、152に延長しているので、内部接続部に付随する寄生静電容量を除去できる。
【0102】
記憶コンデンサー2のウェル72pはオプションである。
図1〜5を用いて既に説明された電圧記憶回路の特に優れたアプリケーションについて図8を用いてここで説明される。
図8は、図1を用いて既に説明されたようにして構成される電圧記憶回路を使用する電圧加算回路を示している。
【0103】
電圧加算回路は、図1の電圧記憶回路の構成部品のほかに、入力スイッチエレメント1と第1入力ノードI1 との間でそのエレメントに直列に接続されている入力絶縁スイッチエレメント46 、一方の側で、各々第2と第3の入力ノードI2 とI3 、他の側で、電圧記憶回路の共通ターミナルCOMの間に接続されている選択スイッチエレメント47と、電圧記憶回路の出力ターミナルOUTと入力スイッチエレメント1の入力側の間に接続されているフィードバックスイッチエレメント48とを搭載している。
【0104】
補助コンデンサー49も、入力スイッチエレメント1の入力側と電圧記憶回路の共通ターミナルCOMの間に接続されてオプションで与えられ、その場合にフィードバックスイッチエレメント48は省略されることができる。
図8の電圧加算回路を用いると、もともとスイッチエレメント1と46は共にオンに制御されるが、フィードバックスイッチエレメント48はオフに保持される。この時に、選択スイッチエレメント47は第2入力ノードI2 と電圧記憶回路の共通ターミナルCOMに接続するように構成されている。電圧回路の入力スイッチエレメント1はオフに切り替えられると、第1と第2の入力ノードI1 とI2 の間の電位差V1 −V2 は、スイッチングの瞬間に、電圧記憶回路の記憶コンデンサー2に記憶される結果になる。
【0105】
その後に、入力絶縁スイッチエレメント46もオフになり、フィードバックスイッチエレメント48はオンになる。その結果、スイッチエレメントオンの入力側の電位は、入力スイッチエレメント1がオフした後に、第1入力ノードの電位の次の変動にかかわらず、記憶コンデンサー2の上部プレートの電位VC に対して実質的に一定に保持される。
【0106】
補助コンデンサー49が入力スイッチエレメント1の入力側と電圧記憶回路のターミナルCOMの間にある時に、この補助コンデンサーは、代わりに、または更に、フィードバックスイッチエレメント48に対して、入力スイッチエレメント1がオフした後に、入力スイッチエレメント1の入力側の電位が記憶コンデンサー2の上部プレートの電位VC に対して実質的に一定に固定されるようにする。
【0107】
入力スイッチエレメント1がオフにスイッチングした後の入力側電位の保持性は、第1入力ノードの電位が入力スイッチエレメント1のゲート電極に加えられるオフ電位に対して十分に変わる時に、入力スイッチエレメント1が再びオンに切り替えられる可能性を防止することが望まれる。
入力絶縁スイッチエレメント46がオフになると同時に、またはその後に、選択スイッチエレメント47の構成は、第3入力ノードI3 を共通ターミナルCOMに第2入力ノードI2 の代わりに接続するために変えられる。
【0108】
その結果、出力ターミナルの電位は、第3の入力ノードの電位V3に、第1と第2の入力ノードの電位の間で記憶されていた差V1 −V2 をプラスした電位に実質的に等しくなる、すなわち、
O = V1 − V2 + V3 + Verror
ここでVerror は、オフになる瞬間に入力スイッチエレメント1に依る電荷流入に依って発生される記憶されていた電位差V1 −V2 の誤差(エラー)電圧である。前述のように、入力スイッチエレメント1に加えられるオン電位が入力ノードの電位に追従する時に、エラー電圧Verror は回路に加えられる電位にかかわらず実質的に一定になるので、このエラー電圧は望ましい単純な状態で補償されることができる。
【0109】
電圧記憶回路の寄生静電容量の影響を効果的に除去することに依って、記憶コンデンサーの下部プレートの電位は、記憶されている電位差に予測し難い状態で影響せずに、望まれる電位差の記憶後に、自由に変更されることができることが認められる。これは、図1で既に説明されたように構成される電圧記憶回路が特に高い精度を電圧加算アプリケーションに提供することを可能にする。
【0110】
図1の電圧記憶回路の更に優れたアプリケーションとして、図9は、第1と第2の電圧記憶回路VSC1 とVSC2 を搭載していて、各々が図1で既に説明されたように構成されている、倍電圧回路50を示している。
回路50は第1と第2の入力ノードI1 とI2 と第1と第2の出力ノードO1 とO2 を搭載している。第1の制御可能なスイッチエレメント51は第1電圧記憶回路VSC1 の第1入力ノードI1 と入力ターミナルIN1 の間に接続されている。第2の制御可能なスイッチエレメント52は第1電圧記憶回路VSC1 の第2入力ノードI2 と共通ターミナルCOM1 の間に接続されている。
【0111】
第3の制御可能なスイッチエレメント53は第2電圧記憶回路VSC2 の第1入力ノードI1 と共通ターミナルCOM2 の間に接続されている。第4の制御可能なスイッチエレメント54は第2電圧記憶回路VSC2 の第2入力ノードI2 と入力ターミナルIN2 の間に接続されている。
第5の制御可能なスイッチエレメント55は電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々共通ターミナルCOM1 、COM2 の間に接続されている。
【0112】
第1と第2の電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々の出力ターミナルOUT1 とOUT2 は、回路50の第1と第2の出力ノードO1 とO2 に各々接続されている。
回路50は、第1制御信号φ1 をスイッチエレメント51乃至54に且つ第2制御信号φ2 をスイッチエレメント55に印加する制御手段60を更に具備している。制御手段60は、電圧記憶回路VSC1 とVSC2 に電圧記憶回路の各々スイッチエレメント1のスイッチングの制御に用いられる前述のスイッチング信号CKも印加する。スイッチエレメント51乃至54は制御信号φ1 がアクティブの時にオン条件に制御され、なおかつ、スイッチエレメント55は制御信号φ2 がアクティブの時にオン条件に制御される。電圧記憶回路の各々のスイッチ・ドライブ手段4、5に印加されるスイッチング信号CKの生成は、制御スイッチエレメント51乃至55のスイッチングに制御手段60に依って同期されるので、電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々スイッチエレメント1は、スイッチエレメント51乃至54が最初にオン条件の時にオン条件に保持されるが、これらのエレメント51乃至54がオフ条件に切り替えられる前にオフになる。
【0113】
図9の倍電圧回路の動作に於いて、制御信号φ1 は最初に作動され、制御可能なスイッチエレメント51乃至54が最初にオン条件に作動され、この時スイッチエレメント55はオフになる。そこで、φ1 が作動されると、スイッチエレメント51乃至55は、入力ノードI1 とI2 の間の入力電圧Viが各々の入力と電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々の共通ターミナルの間に加えられることを可能にする入力構成になる。
【0114】
スイッチエレメント51乃至55がこの入力構成の間に、電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々のスイッチエレメント1はオン条件のそれらの付随するスイッチ駆動手段4、5に依って制御される。その結果、その各々の記憶コンデンサー2は入力電圧Vi に各々充電される。この点に関して、入力電圧は第1電圧記憶回路VSC1 に対して第2電圧記憶回路VSC2 と逆の極性で印加されることが注目される。
【0115】
スイッチエレメント51乃至54がオンに切り替えられている間に、制御手段60は、電圧記憶回路の各々のスイッチエレメント1をオフに切り替えるために、電圧記憶回路の各々のスイッチ駆動手段4、5にスイッチング信号CKを印加する。その結果、スイッチングのtswitchの瞬間に於ける入力電圧Visは電圧記憶回路の各々の記憶コンデンサー2に記憶される。
【0116】
その後、制御手段60は、制御信号φ1 の作動をオフにするのでスイッチエレメント51〜54はオフに切り替えられ、次に制御信号φ2 を作動するのでスイッチエレメント55がオンに切り替えられる。この条件の時に、スイッチエレメント51乃至56は出力構成になる。この出力構成の時に、電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々の記憶コンデンサー2は電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の増幅器エレメント3の各々の入力の間で直列に接続されている。これらの電圧記憶回路の増幅器エレメント3はそれらの各々出力でそれらの入力の電位を再生するためにだけ機能するので、第1と第2の出力ノードO1 とO2 の間に生成される出力電圧VO は記憶されている入力電圧Vis、すなわち VO = 2Visの2倍と実質的に等しくなる。
【0117】
従って、回路50は、スイッチングのtswitchの瞬間に於いて印加される入力電圧Vi の実質的に2倍になる出力電圧VO を与えるように作動する。
図9の回路は、回路の寄生静電容量の影響が除去されるので、非常に高い精度を倍電圧に与えることができる。これは、前述の構成の電圧記憶回路に於いて、印加される入力信号に影響を与える寄生静電容量(すなわち、入力スイッチエレメント1の静電容量、増幅器エレメント3の入力の静電容量、電圧記憶回路の任意の内部接続部の静電容量)が全てブートストラップされることができるからである。電圧記憶回路が(電圧記憶回路の内部接続部の寄生静電容量のブートストラップを可能にするために)各々のウェルで好都合に形成される事実を考えると、全体的に倍電圧回路50は好都合に集積回路として形成されるべきである。
【0118】
この倍電圧のアプローチは、倍電圧を実施するために用いられている従来の切替式のコンデンサー回路に使用されているものと基本的に異なることに注目されるべきである。これらの従来の回路の場合、回路の動作は、回路の全てのノードが増幅器に依ってドライブされるか(寄生静電容量が増幅器出力に於いて充電され且つ影響を与えないようにするために)または全てのクロック位相で同じ電圧に常に戻される(“仮想グラウンド”なので実際の電荷は寄生静電容量に流入または流出しない)ことを保証することに依って、寄生静電容量に対して鈍感になるようにデザインされている。後者のアプローチの例はヨーロッパ特許公告公報214831号(EP−B −0214831 )に与えられている。
【0119】
回路が寄生静電容量に対して鈍感になるようにデザインすると、寄生静電容量に依って発生される問題は基本的に除去されるが、寄生の問題を除去することは、入力電圧を記憶し且つ2倍にするために用いられるコンデンサー間のやむを得ない不整合に付随する、別の問題を導き、これは望ましい高精度が達成されることを妨げることになる。
【0120】
この問題は、切り替えられるコンデンサーに基づく従来の倍電圧回路の場合、倍電圧の動作の過程で保たれる変動が図11の回路の電圧よりむしろ電荷(或るコンデンサーから別のコンデンサーに伝えられる)であるために発生する。
この問題を更に詳細に考えてみると、電荷が保たれている時に電圧を2倍にするために、数字2Cのコンデンサー(または、並列で、数字Cの各々、2つのコンデンサー)が入力電圧に充電され、次に全ての電荷が数字Cの1つのコンデンサー(最初に充電されるコンデンサーであってもなくても構わない)に伝えられる。電荷の保持は次に示す関係式を与える。
【0121】
2C・Vin=C・Vout
out =2Vin
しかし、実際の回路に於いて出力電圧Vout は正確に入力電圧Vinの2倍にならないことが認められ、これは倍電圧動作を実施するために用いられるコンデンサーの各々の静電容量の間の不整合のためである。この点に関して、入力電圧Vinに充電される2つのコンデンサーの各々の静電容量は各々C1 とC2 になり、なおかつ、これらの2つのコンデンサーに記憶されている組み合わされた電荷を受ける第3のコンデンサーの静電容量C3 はC3 になり、電荷の保持は次に示す関係式を与える。
【0122】
( C1 + C2)・Vin = C3 ・Vout
out = [( C1 + C2)/C3]Vin
公称では同じコンデンサーの間のランダムな不整合は一般的に0.1%(集積回路上で達成することが比較的容易)と0.01%(極度の注意が例えばユニット上に分割され挟み込まれる大きいコンデンサーに要求される)の間に存在する。該静電容量の不整合のエラーは同等のエラーを倍電圧に導く結果になり、なおかつ、倍電圧回路がアナログ・デジタル・コンバーターに例えば使用される時に、アナログ・デジタル・コンバーターの直線性は10と13ビットの間に該エラーに依って制限されることになる。
【0123】
倍電圧回路に基づく該従来の電荷伝搬に於ける静電容量不整合に起因する誤差(エラー)は、複雑なスイッチング構成を用いて除去されることができる。或る従来の方法は、コンデンサーC1 を入力電圧に充電し、電荷を記憶コンデンサーC2 に伝えて、電荷C1 を入力電圧に再び充電し、次に全ての電荷をC1 に戻している。これは、電荷が同じコンデンサーから始まって終了するので入力の正確な倍電圧を導く結果になるが、この方法は更に複雑で遅くなり(更にクロック位相に関連する)、なおかつ増幅器のスイッチング・ノイズに対して更に敏感になる。
【0124】
別の従来の方法は、“自動較正”を行うこと、すなわち、コンデンサーの不整合を測定して、それを調整する、更なる回路を備えている。この回路の構造は、しかし、回路を益々複雑にして、動作の速度を遅くする。
更に、電荷伝搬に依存する従来の倍電圧回路もコンデンサーの直線性に事実上依存するので、コンデンサーの電荷を2倍にすると、その電圧も必然的に2倍になる。コンデンサーの物理的な構造に基づいて、これらの従来の倍電圧回路に用いられているコンデンサーの非直線性は、倍電圧回路の直線性を全体的に制限することになる。
【0125】
図9の回路の場合、一方で、高い直線性で、高精度で整合されるコンデンサーの要求は解消される。2つのコンデンサーを並列に充電し、次にそれらを直列に接続すると、寄生静電容量の影響が満足できるレベルで除去されるならば、コンデンサーの整合性と直線性と関係なしに、入力電圧を常に正確に2倍にすることができる。
【0126】
図9の回路の場合、各々電圧記憶回路のスイッチ駆動手段4、5はスイッチエレメント1の電荷流入が一定に保持されることを保証するので、電圧記憶回路はその全ての寄生静電容量が増幅器エレメントの出力に依ってドライブされるようにデザインされているならば、実質的に動作の直線性に対する唯一の制約は増幅器エレメントの利得エラーだけになる。この原因は、電圧記憶回路の増幅器エレメントの利得が正確に単位値でない場合に、寄生静電容量の除去が十分に効果的に行われないことに依る。この正確な単位性からの利得エラーは従って最小限にされるべきである。
【0127】
実際に、この利得エラーは、特定の倍電圧アプリケーションの希望された精度に依って要求されるように、できるだけ小さく設定されることができる(最適の精度とするために、比較的複雑な増幅器エレメント構成が要求されるが)。適切な増幅器エレメント構成を使用することに依って、これは、少なくとも1ppmより優れている直線性が達成され、実際の特性の制約は増幅器と熱(kT/C)雑音に起因するランダムノイズに依存することを意味している。該倍電圧回路を使用するアナログ・デジタル・コンバーターの場合、直線性は20ビットを越えて保持されると思われる。
【0128】
結局、電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の逆並列接続を図9の倍電圧回路50に用いることに依って、回路のスイッチエレメント1に依って流入される電荷の各々の量は、スイッチングの瞬間に於いて、効果的に除去され、回路を自己補償することになる。
図9に図示されているような倍電圧回路50を使用する1例が、ここで図10の引例を用いて説明される。
【0129】
図10は図9に図示されている倍電圧回路を使用するアナログ・デジタル・コンバーター(ADC)の一部を示している。図10のADCは“3ステート・ロジック”ADCである。
3ステート・ロジックADCは、各々倍電圧動作に関連する、印加されるアナログ入力電圧から始まる、シリーズの電圧変換動作を実施して、そのアナログ・デジタル変換を行う。デジタルデータは各々該電圧変換動作で生成され、次の変換動作のデジタルデータは印加されるアナログ入力電圧を示すデジタル出力ワードを生成するために結合される。
【0130】
3ステート・ロジックADCに依って行われる各々電圧変換動作の場合、動作の第1位相に於いて、アナログ入力電圧は、予め設定された比較電位Vr /4(Vr は予め設定された基準電位である)と比較されて、次の表1に図示されている3つのデジタルデータの値の1つを生成する。
【0131】
【表1】

Figure 0003636736
【0132】
次に、動作の第2位相に於いて、第1位相で生成されたデジタルデータに基づいて、入力電圧Vi は、次の表2に図示される式に依ってVi と関連するアナログ変換電圧VC を生成するために変換される。
【0133】
【表2】
Figure 0003636736
【0134】
次の変換動作で、このアナログ変換電圧VC はアナログ入力電圧として用いられ、変換電圧VC は次の該動作に於いてゼロに収斂する。各々次の変換動作は3ステート・ロジックデジタルデータ(+1、0、−1)の1つの“ビット”を生成す。通常の2進(2ステート)論理で表される出力ワードは適切なデジタル論理回路に依る組み合わせの3ステート・ビットの全てから導かれ、R・3ステート・ビットは(R+1)ビットから成る2進論理出力ワードを生成することができる。
【0135】
従来の3ステート・ロジックADCの動作の詳細な説明については、K. Gotoh とO.Kobayashi に依る“Fujitsu Fact: 3ステート・ロジックはMB87020に用いられているCMOSサイクルA/Dコンバーターを制御する”と前述のEP−B −0214831 に記載されていて、その文書は共にここで参照されている。
図10のADCは直列に接続されているN個の電圧変換ステージST1 、ST2 、…STN を搭載していて、その各々が表1と2から前述の電圧変換動作を行うことができる。ADCの最初の2つの該電圧変換ステージST1 とST2 だけ図10に図示されている。
【0136】
ステージSTi の各々は図9用いて既に説明されたように一般的に倍電圧回路50′に基づいていて、倍電圧回路50′の入力ノードI1 とI2 はステージの入力ノードを与え、倍電圧回路50′の入力ノードO1 とO2 は同様にステージの出力ノードを与える。
各々ステージSTi の倍電圧回路50′は、しかし、図9の回路の1つのスイッチエレメント55の代わりに、倍電圧回路50′が、回路の2つの電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々の共通ターミナルCOM1 とCOM2 の間に直列に接続されている、2つの制御可能なスイッチエレメント55と56と電圧調整手段58を搭載しているところが、図9の倍電圧回路と異なっている。
【0137】
各々ステージSTi に於いて、スイッチエレメント51乃至56は前述の入力構成(スイッチエレメント55と56がオフ状態の時にスイッチエレメント51乃至54がオン状態)または出力構成(スイッチエレメント51乃至54がオフ状態の時にスイッチエレメント55と56がオン状態)になることができる。
図9の倍電圧回路50のケースのように、各々ステージSTi のスイッチエレメント51乃至56は制御信号φ1 とφ2 に依って制御される。しかし、図10のADCの場合、全てのステージに共通する制御手段60′は各ステージの第1と第2の制御信号を生成するために与えられていて、なおかつ、φ1 がアクティブの時に、スイッチエレメント51乃至56の奇数番号のステージST1 、ST3 、ST5 …は入力構成に保持されるが、スイッチエレメント51乃至56の偶数番号のステージST2 、ST4 、ST6 …は出力構成に保持され、なおかつ、φ2 がアクティブの時に逆になる。
【0138】
各々電圧変換ステージSTi は、ステージに加えられる入力電圧Vi を受けるためにステージの第1と第2の入力ノードI1 とI2 に接続されていて且つ前述の比較電位Vr /4を受けるためにも接続されている比較手段70を搭載している。比較手段70は、その出力に於いて3ステート・ロジックデジタルデータa(+1、0、−1)を与え、ステージのデジタル出力として、前述の表2に従って作動する。各々ステージのデジタルデータは、デジタル出力ワードを生成する処理のためにデータ処理手段80に加えられる。デジタルデータaはその動作を制御する電圧調整手段58にも加えられる。
【0139】
電圧調整手段は、スイッチエレメント55と56がオンの時に、ステージの電圧記憶回路の各々の共通ターミナルCOM1 とCOM2 の間で、3つの異なる可能性のある電圧の1つから、比較手段に依って生成されるデジタルデータに依って、選ばれたオフセット電圧VOSを加えるように作動する。a=+1のケース(Vr /4≦Vi のケースに対応している)の時に、選ばれたオフセット電圧は VOS=−Vr になる。a=0(−Vr /4≦Vi <Vr /4のケースに対応している)の時に、選ばれたオフセット電圧はVOS=0になる。a=−1 (Vi <−Vr /4のケースに対応している)の時に、選ばれたオフセット電圧はVOS=+ Vr になる。
【0140】
図10に図示されているADCの動作に於いて、デジタル化されるアナログ入力電圧Vi1は第1電圧比較ステージSTi の第1と第2の入力ノードI1 とI2 の間に加えられる。最初に、制御手段60′は制御信号φ1 を作動するので、第1電圧変換ステージSTi は入力構成(そのスイッチエレメント51乃至54がオン)に保持される。この構成に於いて、スイッチエレメント55と56は共にオフに保持されるので、電圧調整手段58は回路の残りの部分から分離される。
【0141】
φ1 がアクティブの間に、第1ステージSTi の比較手段70は、加えられる入力電圧Vi と比較電位Vr /4を比較して、3ステート・ロジックデジタルデータを比較の結果に基づいて生成する。
φ1 がアクティブの時の周期の終わりの前に、スイッチング信号CKは、制御手段60′に依って第1ステージSTi の各々スイッチ駆動手段4、5に印加されて、ステージSTi の電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々のスイッチエレメント1がオフに切り替えられるようにするので、第1ステージSTi の入力電圧Vi1がこれらの回路の各々の記憶コンデンサー2の各々に記憶される結果になる。
【0142】
制御手段60′は、次にφ1 の作動をオフにしてφ2 を作動し第1ステージSTi を出力構成に切り替える。この構成に於いて、ステージのスイッチエレメント51乃至54はオフ条件になり、ステージのスイッチエレメント55と56はオン条件になる。電圧調整手段58は従って電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々記憶コンデンサー2の間で直列に接続されるので、選ばれたオフセット電圧VOS(デジタルデータaに基づいて −Vr ,0,+Vr )が電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々共通ターミナルCOM1 とCOM2 の間に加えられる。そこで、アナログ変換電圧VC は、電圧調整手段58に依って電圧記憶回路VSC1 とVSC2 の各々の共通ターミナルCOM1 とCOM2 の間に加えられる選ばれたオフセット電圧VOSに依って記憶されていた入力電圧Vi1の2倍と異なる(すなわち、VC1=2Vi1+VOS)ステージSTi の第1と第2の出力ノードO1 とO2 の間に生成される。
【0143】
従って、前述の表2に従って、電圧変換ステージSTi に依って生成される変換電圧VC1は、Vi1と比較電位Vr /4の間の比較の結果に基づいて、2Vi1−Vr 、2Vi1、または2Vi1+Vr になることができる。
図10に図示されているように、ADCの電圧変換ステージは直列に接続されているので、第2電圧変換ステージST2 はその入力電圧Vi2として第1電圧変換ステージSTi に依って生成されるアナログ変換電圧VC1を受ける。前述のように、第2ステージST2 のスイッチエレメント51乃至56は、第1ステージSTi のスイッチエレメント51乃至56が出力構成の時に入力構成にφ2 が制御されるので、第2ステージST2 は、第1ステージSTi に依って生成される比較電圧VC1のその比較動作を、遅れることなく始めることができる。第2ステージST2 のスイッチ駆動手段4乃至5のスイッチング信号CKは、(φ1 がアクティブの間のスイッチ駆動手段4、5のケースのような第1変換ステージSTi よりむしろ)そこでφ2 がアクティブの間に生成されるので、第1ステージSTi のアナログ変換電圧VC1が第2ステージST2 に記憶される。φ2 がアクティブの時の周期の終わりの後で、φ1 は、再びアクティブになり、第2ステージST2 を出力構成に切り替える。それは、従って、アナログ変換電圧VC2を前の(第1)ステージのアナログ変換電圧VC1に基づいて生成する。
【0144】
アナログ変換電圧VC2は、次のステージST3 の入力に加えられ且つ順に(φ1 がアクティブの次の周期に於いて)アナログ変換電圧VC3に変換される。次の電圧変換動作は従って制御信号φ1 とφ2 の作動の各々“スワップ”で行われる。制御信号φ1 とφ2 が各々アクティブの周期t1 とt2 はコンバーターの第1と第2のクロック位相を構成し、第2の位相はコンバーターの各々次のクロック周期の第1クロック位相の終わりの後に始まる。
【0145】
第1ステージSTi は第2ステージST2 が出力構成に切り替えられた後に(第1ステージに依って与えられたばかりのアナログ変換電圧VC1をアナログ変換電圧VC 2に変換するために)入力構成に切り替えられて戻るので、新しいアナログ入力電圧は、φ1 が再び作動されるたびに、コンバーターに依って受けられることができる。このようにして、ADCは新しい変換結果(N個の3ステート・ビットに基づくデジタル出力ワード)を全てのクロック周期に生成することができる。
【0146】
与えられたステージの比較手段70がステージの印加入力電圧と比較電位を直接比較することは不可欠な要素でない。比較は、一方で、コンパレーターの電位と、他方で、電圧記憶回路に記憶されている入力電圧、または比較の前にステージに依って与えられている初期アナログ変換電圧の間で行われると思われる(そこでアナログ変換電圧は補正される)。
【0147】
図10に用いられているN個のステージの代わりに、各々が交互に他の出力を抽出して繰り返し動作する、ちょうど2つの電圧変換ステージを代わりに使用できると思われる。この構成は、1つのクロック周期(すなわち2つのクロック位相)を用いて、3ステート・ロジック・デジタルデータの全ての2つのビットを生成することになる。従って、Nビット変換を行うために、構成はN/2クロック周期をとることになり、これはN個のステージを使用するコンバーターより遥かに遅くなる。要求される回路の大きさは、しかし小さくなると思われる。
【0148】
本発明の異なる態様では、反復して動作する1個の電圧変換ステージだけを有する3状態(3ステート)論理ADCを作ることも可能である。但しこの場合、以下に図11を参照して説明するように、電圧変換ステージは図10のADCの変換ステージSTi における電圧記憶回路とは異なる構成の電圧記憶回路を有する必要がある。
【0149】
図11において、3ステート論理ADCで使用される電圧変換ステージ90は、電圧変換ステージ90の第1及び第2入力ノードI1 とI2 にそれぞれ接続された第1及び第2の変形した電圧記憶回路VSC1 ′とVSC2 ′を有する。
各変形電圧記憶回路は、これまでに図1乃至図7を参照して説明した入力スイッチエレメント1と、単一利得の増幅器エレメント3と、ブートストラップスイッチ駆動手段4、5を有する。しかしながら、各変形電圧記憶回路は、図1の電圧記憶回路における1個のコンデンサー2の代わりに、第1の変形電圧記憶回路VSC1 ′の場合にはC1 とC3 のラベルを付けた2個のコンデンサーを、第2の変形電圧記憶回路VSC2 ′の場合にはC2 とC4の2個のコンデンサーを有する。コンデンサーC1 乃至C4は、通常同一の静電容量であるが、これは電圧変換ステージ90の正確な動作のために必須ではない。
【0150】
各変形電圧記憶回路は、更に数個のスイッチエレメント91乃至106を有し、コンデンサーC1 乃至C4のそれぞれに4個のスイッチエレメントが関係している。すなわち、スイッチエレメント91、92、95及び96はコンデンサーC1 に関係し、スイッチエレメント101、102、105及び106はコンデンサーC2 に関係し、スイッチエレメント93、94、97及び98はコンデンサーC3 に関係し、スイッチエレメント99、100、103及び104はコンデンサーC4に関係する。
【0151】
スイッチエレメント91乃至106は、以下により詳細に説明するように、ブートストラップスイッチ駆動手段により生成される制御信号φ1 とφ2 に応じてオン状態とオフ状態になる。
各電圧記憶回路VSC1 ′とVSC2 ′に関係して、入力スイッチエレメント1と電圧変換ステージ90の関連する入力ノードI1又はI2との間で、入力スイッチエレメントに直列に接続された入力分離スイッチエレメント46、及び(増幅器エレメント3の出力ターミナルの)変形電圧記憶回路の出力ノードと入力スイッチエレメント1の入力側との間に接続されたフィードバックスイッチエレメント48がある。入力分離スイッチエレメント46とフィードバックスイッチエレメント48は、図8の電圧加算回路における同一の名称及び参照番号のスイッチエレメントに対応し、同一の働きを行う。フィードバックスイッチエレメント48はいずれにしろ抵抗に置き換えることが可能である。
【0152】
電圧調整手段58は、ほぼ図10の電圧調整手段58に類似しており、第1及び第2変形電圧記憶回路VSC1 ′とVSC2 ′の間に接続される。更に、コンパレーター手段70は、図10の各電圧変換ステージSTi のコンパレーター手段に類似しており、変形電圧記憶回路の各出力ノード間に接続される。
電圧調整手段58は、更なる複数のスイッチエレメント581乃至588を有する。6個のスイッチエレメント582乃至584と、586乃至588はそれぞれペアでコンパレーター手段によって生成される3ステートデータ「ビット」a i の論理レベルに応じて活性化される。この場合、a i =−1の時に、スイッチエレメント582と586が活性化され、その結果電圧調整手段58の出力ターミナルの間に生成されるオフセット電圧VOSは、あらかじめ定められた基準電圧+Vr に等しくなる。a i =0の時に、スイッチエレメント583と587が活性化され、オフセット電圧VOSはゼロになる。a i =+1の時に、スイッチエレメント584と588が活性化され、オフセット電圧VOSは−Vr に等しくなる。
【0153】
ステージ90の第2及び第1入力ノードI2 とI1 にそれぞれ接続される電圧調整手段58の他の2個のスイッチエレメント581と585の活性化について、以下に説明する。
制御手段61は、図10の制御手段60′にほぼ類似しており、主(マスタ)制御信号φ1Mとφ2Mを生成するだけでなく、それぞれ更にマスタ制御信号SAMM とCONM も生成する。マスタ制御信号φ1M、φ2M及びSAMM は、各変形電圧記憶回路のブートストラップスイッチ駆動手段4、5に印加される。各変形電圧記憶回路のブートストラップスイッチ駆動手段は、マスタ制御信号φ1M、φ2M及びSAMM に対応し関連する変形電圧記憶回路のスイッチエレメントに印加されるブートストラップ制御信号φ1 、φ2 及びSAMPLEを発生させる。ブートストラップ制御信号の電位は、変形電圧記憶回路の増幅器エレメント3の出力ターミナル電位に追従する。変形電圧記憶回路に関係するフィードバックスイッチエレメント48を活性化するのに使用される制御信号CONVERTは、マスタ制御信号CONM から導出されるブートストラップ制御信号であってもよいが、それはブートストラップされるフィードバックスイッチエレメント48に印加される信号として基本的ではないため、マスタ制御信号CONM を直接与えることもできる。
【0154】
図11の電圧変換ステージ90による変換動作の開始時には、等価のデジタル信号に変換されるアナログ入力電圧が、電圧変換ステージ90の第1及び第2入力ノードI1 とI2 の間に印加される。印加されたアナログ電圧のサンプリングを容易にするために、制御手段61は、各変形電圧記憶回路において入力ノードI1 とI2 をスイッチエレメント1と46を介して変形電圧記憶回路の増幅エレメント3の各入力に接続させるように関係するブートストラップ制御信号SAMPLEを活性化させるマスタ制御信号SAMM を発生する。この時、CONVERT制御信号は非活性化され、フィードバックスイッチエレメント48はオフ状態である。
【0155】
電圧調整手段58のスイッチエレメント581と585は、更に制御信号SAMPLEによっても活性化され、電圧調整手段の出力ターミナル電位はそれぞれ第2及び第1入力ノードI2 とI1 の電位に等しい。この時、他のスイッチエレメント582乃至584と586乃至588は、オフ状態に保持される。
入力電圧のサンプリング中に制御信号φ1 が活性であると仮定すると、スイッチエレメント91、95、101及び105はオン状態であり、第1の変形電圧記憶回路VSC1 ′におけるコンデンサーC1 は、上側のプレートが第1入力ノードI1 に接続され、下側のプレートが第2入力ノードI2 に接続される。同様に、第2の変形電圧記憶回路VSC2 ′は、上側のプレートが第2入力ノードI2 に接続され、下側のプレートが第1入力ノードI1 に接続される。従って、各コンデンサーC1 とC2 は印加されたアナログ入力電圧のサンプリングを行うように印加されたアナログ入力電圧を記憶する。
【0156】
制御信号φ1 が活性である間、スイッチエレメント94、98、100及び104は、オン状態にあり、コンデンサーC3 とC4 は増幅器エレメント3の各出力ターミナルの間に交互に平行に接続される。増幅器エレメントは単一の利得を有しているため、サンプル化されたアナログ入力電圧はφ1 の間各コンデンサーC3 とC4 にも記憶される。
【0157】
次に、SAMPLE制御信号は入力電圧のサンプリングを終了するように非活性化され、制御信号φ1 は活性化されたままである。
SAMPLE制御信号が非活性化された後、CONVERT制御信号は変換動作の残りの部分のために、活性化される。単位利得の増幅器エレメント3の入力及び出力ターミナル電位は常に等しいため、入力スイッチエレメント1の入力側及び出力側ターミナルは、同一電位に保持され、エレメント1は、関係する入力ノードI1 又はI2 の電位で付随して生じる変化にかかわらず、オフ状態に安定的に保持される。
【0158】
コンデンサーC3 とC4 で保持されるサンプル化された入力電圧は、コンパレーター手段70により、図10のADCにおけるのと同様の方法で、あらかじめ定められた比較電位Vr /4と比較される。3ステート論理デジタルデータ(+1、0、−1)の第1ビットa1 は、コンパレーター手段70により比較結果に基づいて生成される(表1参照のこと。)。
【0159】
第1データビットa1 が得られた後、電圧調整手段58のスイッチエレメント582乃至584と586乃至588の各ペアは、第1データビットa1 に従って活性化される。このようにして、電圧調整手段58は、出力ターミナルの間に、あらかじめ定められたオフセット電圧VOS(デジタルデータビットa1 に対応した−Vr ,0,+Vr )の1つを生成する。制御信号φ1 はまだ活性化したままであり、スイッチエレメント91、95、101、及び105はすべてオン状態のままであり、スイッチエレメント3の各入力ターミナルの間に、第1の列の接続が存在することになる。この第1の列がコンデンサーC1 、電圧調整手段58及びコンデンサーC2 を構成する。このように、増幅器エレメント3の各入力ターミナルの間の電圧は、コンデンサーC1 とC2 に記憶されたサンプル化されたアナログ入力電圧に第1データビットa1 により選択されたオフセット電圧VOSを加えたものの2倍に等しい第1変換電圧VC1である。このように、電圧変換動作は、表2に従って行われる。
【0160】
増幅器エレメント3の入力ターミナル電位は、増幅器エレメント3によってバッファされており、第1の変換電圧VC1が増幅器エレメント3の各出力ターミナルの間に再生される。
スイッチエレメント94、98、100及び104はすべてオン状態のままであり、コンデンサーC3 とC4 は増幅器エレメント3の各出力ターミナル間に相互に平行に接続され、それぞれが第1の変換電圧VC1を記憶する。
【0161】
第1の変換電圧VC1は、コンパレーター70によって基準電位Vr /4と比較され、第2データビットa2 が比較結果に応じて生成される。
次に、制御手段は制御信号φ1 を非活性化し、制御信号φ2 を活性化する。同時に、第2データビットa2 が電圧調整手段に印加され、このデータビットa2 に応じて新しいオフセット電圧VOSが選択される。制御信号φ2 を活性化することにより、スイッチエレメント93、97、99及び103がオン状態になる。その結果コンデンサーC3 とC4 は電圧調整手段58に直列に接続され、増幅器エレメント3の各入力ターミナルの間に第2の列接続(C3 −VOS− C4 )が形成され、上記の第1の列接続(C1 −VOS− C2 )と置き換わる。従って、この結果得られる増幅器エレメント3の各出力ターミナルの間に生成される新しい変換電圧VC2は、第1の変換電圧VC1に新しく選択されたオフセット電圧VOSを加えた値の2倍に等しくなる。制御信号φ2 を活性化することにより、スイッチエレメント92、96、102及び106はオン状態になり、この新しい変換電圧VC2は増幅器エレメント3の各出力ターミナル間に平行に接続されるコンデンサーC1 とC2 に記憶される。
【0162】
新しい変換電圧VC2は、コンパレーター手段70で基準電位VR /4と比較され、次のデータビットa3 を生成する。次いで、制御信号φ2 は非活性化され、制御信号φ1 が活性化され、更に、データビットa3 が電圧調整手段に印加され、新しいオフセット電圧VOSが選択される。制御信号φ1 が活性化されるので、第1の列接続(C1 −VOS− C2 )が増幅器エレメント入力ターミナルの間の第2の列接続(C3 −VOS− C4 )に置き換わり、コンデンサーC3 とC4 はその結果得られる新しい変換電圧VC3を記憶する。
【0163】
その後、制御信号φ1 とφ2 が交互に活性化され、新しいデータビットai と新しい変換電圧がそれぞれ連続した制御信号位相の間生成される。
図10をを参照して説明したように、データビットai はADCのデータ処理手段80(図示せず)に印加され、もともと印加されたアナログ電圧を表すデジタル出力ワードを生成するように処理される。図11の電圧変換ステージは、N個の3ステートビットに基づくデジタル出力ワードを生成するのにN個のクロック位相が必要であることがわかる。
【0164】
各増幅器エレメント3において、入力ターミナル電位は出力ターミナル電位に等しいため、制御信号φ1 又はφ2 のいずれかが活性である時には、第1変形電圧記憶回路VSC1 ′のスイッチエレメント1、48、91、92、93及び94、及び第2変形電圧記憶回路VSC2 ′の対応するスイッチエレメント1、48、103、104、105及び106の各スイッチエレメントは、2個のターミナルにわたって電圧を有しないことが理解される。
【0165】
コンデンサーの上側のプレートに接続されるスイッチエレメント91乃至94と103乃至106は、オーバーラップ無しに切り換えできる(すなわち、スイッチオフの後遅延無しに切り換えられる。例えば、スイッチエレメント92がオンになる前にスイッチエレメント92はオフする。)。これは、これらのスイッチエレメントが接続される4個のノード(増幅器エレメントの入力ターミナル、増幅器エレメントの出力ターミナル、及び2個のコンデンサーのそれぞれの上側のプレート)は、切り換えの前後(すなわち、各制御信号位相がφ1 からφ2 に変化する等)で同一の電圧を有するためである。この上側のプレートに関係するスイッチ91乃至94と103乃至106がオーバーラップすることなしに切り換わることにより、制御信号の発生が簡単になる。
【0166】
ここで、コンデンサーの下側のプレートに接続されるスイッチ95乃至102は、電荷注入効果を避けるため、コンデンサーの上側のプレートに接続されるスイッチエレメント91乃至94と103乃至106の切り換えの後、所定の短時間で切り換えられることが重要である。この所定の短時間は、この時間の間各増幅器エレメント3の入力ターミナルが他の増幅器エレメント3の出力ターミナルに効果的に組み合わされるという観点から最小化され、正のフィードバックが生じる。この正のフィードバックの効果は、増幅器エレメントが単位利得を有する場合にはあまり重要でないが、電圧変換ステージ90をこの状態にする必要がある絶対的に必要な時間より長くこの状態にするのを避けるのが望ましい。これにより、上側のプレートに接続されるスイッチエレメント91乃至94と103乃至106が設定されると同時に、下側のプレートに接続されるスイッチエレメント95乃至102が切り換わる。
【0167】
第1の変形電圧記憶回路VSC1 ′は、基板を覆う材料の導電性と逆の導電性の1個以上のウエルに形成されることが望ましく、そのウエル又は各ウエルの電位は第1の変形電圧記憶回路の増幅器エレメント3の出力ターミナル電位に対して固定される。これと同様のことが、第2の変形電圧記憶回路のVSC2 ′のスイッチエレメント1と103乃至106にも適用される。このスイッチエレメントの配置により、図1乃至図7の電圧記憶回路に関連して既に説明したのと同一の基本的な方法で、変形電圧記憶回路の寄生静電容量をブートストラップすることが可能になる。
【0168】
図12の電圧変換ステージでは、第1の電圧変換動作が、最初のクロック位相中にアナログ入力電圧がサンプリングされ、このサンプリングは直ちに終了する。これにより、変換動作が高速化されるが、サンプリング中にコンデンサーC1 とC2 の下側のプレートを入力ノード電位に充電するためのべつのスイッチエレメント(電圧調整手段58と一体に示されているエレメント581と585)を備える必要がある。これらのスイッチエレメント581と585を除いて単に最初のクロック位相で(a1 を得るために)比較動作を行うことも可能であり、第1の電圧変換動作は次のクロック位相で実行される。
【0169】
図10又は11を参照して既に説明した電圧変換ステージは、適当な変形を加えることにより、倍電圧及びオフセット動作を必要とするほかのアナログ・デジタル・コンバーターに適用可能である。
図10を参照して既に説明した電圧変換ステージの列を有するADCでの電力消費を最低にするため、「スケール化」した連続ステージにするのが効果がある。この点は、図12を参照してより詳しく説明される。
【0170】
図12に、図10に図示されているADCの最初の3つのステージが概略的に描かれている。第1ステージの記憶コンデンサー2は各々静電容量Cをもっていて、増幅器エレメント3のトランジスターは各々チャンネル幅Wであり、増幅器エレメント3のこれらのトランジスターの各々に流れる電流はIである。
第2ステージに於いて、記憶コンデンサー2は各々静電容量がKCであり、ここで1/kが予め設定されたスケーリング・ファクター(k<1)の時に、増幅器エレメント3のトランジスターは各々幅がkWであり、各々トランジスターを流れる電流はkIになる。同様に、第3ステージに於いて、静電容量はk2 C、トランジスター・チャンネル幅はk2 W、トランジスターの電流はk2 Iになる。
【0171】
従って、各々次のステージは、少なくともこれらの3つのパラメータがスケーリング・ファクター1/kに依って関係されている限りスケールされる。その結果、第1ステージで消費される電流に関して表される、デバイスで消費される総電流は、1+k+k2 +k3 +…… になる。
各々ステージは1/kのノイズパワーをその自らの入力にもっているが、しかし、ADCの入力ターミナルに対して、これは前のステージの利得の積に依って減少される。例えば、第2ステージのノイズパワー=1/k、前のステージの電圧利得(このケースでは第1ステージの電圧利得)=2、従ってノイズパワーは、入力ノイズパワーに対して、1/kになる。
【0172】
従って、全てのステージの入力の総ノイズパワーは、1+1/4k+1/16k2 +1/64k3 +……になる。例えば、k=1/2の時には、総ノイズ=1+1/2+1/4+1/8+……=2になる。
同様に、k=1/2を前述の総電流の式に代入すると、総電流=1+1/2+1/4+1/8+……=2になる。
【0173】
全パワー一定の場合、全てのサイズはパワー加算の結果に依って割り算されなければならない、すなわち、入力ノイズは同じファクターで掛け算され、次式のように表される。
【0174】
【数1】
Figure 0003636736
【0175】
入力ノイズは、m=1、すなわちk=1/2の時に最小になる。
前述の分析から、ADCの最小総消費電力の最適のスケーリング・ファクターは2になることが明らかである。これは、最小ノイズレベルを与えられた消費電力に、または最小消費電力レベルを与えられノイズレベルに提供する。従って、各々ステージは前のステージのサイズの実質的に半分になる。この場合、総消費電力は第1ステージの消費電力の2倍に等しくなり、なおかつ、総ノイズパワーは第1ステージのノイズパワーの2倍に等しくなる。
【0176】
図13は、16ステージADCの場合にスケーリング・ファクター1/kをもつ総電流とノイズの変化の様子を示している。図13に示すように、与えられたパワー消費に対して最小のノイズと与えられノイズレベルに対して最小のパワー消費は各々スケーリング・ファクター1/k=2の時に現れる。
前述の分析は変換ステージのスケーリングがADCの全てのステージに適用されることを示しているが、実際に、ステージのスケーリングは、16ステージ列(17ビットADC)の場合、これは、最後のステージが第1ステージのサイズの1/216=1/65536倍だったことを意味しているので、最終ステージまで続けることができない。
【0177】
シリーズの特定のステージに於いて、ステージ・サイズが適度に小さくなる時に、全ての次のステージは同じサイズにされる、すなわち、これは、ノイズを少し大きくするが、広い範囲のサイズが要求されないことを意味している。
例えば、スケーリングが6つのステージの後に停止する場合、最小ステージのサイズ(6番目と全ての次のステージに用いられる)は第1ステージのサイズに対して1/32になる。この場合、全パワー=1+1/2+1/4+1/8+1/16+1/32+1/32+1/32+……になる。
【0178】
いちど最小ステージサイズが選択されると、該サイズのステージは、最大のステージを形成するために平行にされる(またはレイアウトで“ストレッチされる”)ことができる“ユニット”ステージとしてデザインされることができる。例えば、ユニットステージが第1ステージに対して1/32のサイズになる場合、第1ステージ=32の平行ユニット、第2ステージ=16の平行ユニット、第3ステージ=8の平行ユニットになる。
【0179】
サイズが 1/32 のユニットステージを使用するADCのチップに関して1つの考えられるレイアウトが図14に図示されている。
表3は与えられた最小サイズのステージの場合、最適スケーリング・ファクター1/kは、15ステージADC(16ビット)のケースの異なる最小ステージに最適のスケーリング・ファクターを示す表である。表3から明らかなように、最適のスケーリング・ファクターは非常に2に近い。
【0180】
【表3】
Figure 0003636736
【0181】
スケーリングが停止されない時の最適ノイズパワー値4.0と比べると、1/32の最小ステージサイズは約10%または0.46dBの全てのパワーの増加またはノイズの増加の結果になるが、1/16の最小ステージサイズは、パワーまたはノイズを約25%または0.99dBだけ増加する結果になる。これらの2つの最小ステージ・サイズは好ましい対策になると思われる。
【0182】
前述のようなスケーリングは、本発明の別の態様に於いて、電圧変換ステージの列を有する任意の適切なタイプのアナログ・デジタル・コンバーターに効果的に応用されることができる。例えば、スケーリングを前述のEP−B −0214831 に説明されている電圧変換回路に、その文献に前述の複数のステージが直列に互いに接続されていたケースに、応用することも可能と思われる。
【0183】
図10のADCに依って費やされる電流は、記憶コンデンサー2の静電容量に直接比例し且つ変換率に逆比例する。これは、高い分解能と高い変換率に対してもパワーがとうぜん増加されることを意味している。しかし、16ビット10Ms/sのコンバーターは0.5W未満しか消費しないことが推定される。これは、変換率を1Ms/sに下げると、パワーは50mWまたは100ks/sで5mWに減少されることを示唆している。
【0184】
低い分解能(例えば12ビット)の場合、パワーと面積は、静電容量が非常に小さいので急激に減少する。12ビット50Ms/sのコンバーターは、異なる変換ステージに依って与えられるデジタルデータを処理するために要求されるデジタル論理回路の消費電力を含めて200mWを消費すると推定される。
これは、従来のコンバーターと比べると遥かに改善された電力/速度のつりあいのとれた関係を示している。その1つの主な理由は、直列の各々ステージが、前のステージのサイズと電力の半分になり、第1ステージの約2倍となるコンバーターの総電力を与えることができるためである。これは大幅な減少をチップサイズに提供し、16ビットMs/sのコンバーターは適切な処理で10mm2 より狭い面積しか占めないと推定される。
【0185】
倍電圧回路と比較手段に他に、Nビット出力ワードのADCのデジタル論理回路は(N−1)2 のD型タイプ・フリップフロップと(N−1)フルアダーを搭載していて、全てが変換率でクロック計時される。16ビット分解能の場合、これは、約2000の基本セル・カウントと、16ビット分解能で推定アナログ消費電力の約25%の消費電力を5Vと10MHzで与える(15ビット分解能の場合、アナログ消費電力は4のファクターだけ減少されると思われる)。
【0186】
前述のように、ADCの電圧変換ステージの増幅器エレメント3の各々の利得は完全に単位値になる。そうでない場合、利得エラーを伝搬機能に導くこととは別に、更なる利得エラーが、寄生静電容量が完全にブートストラップされないので生じる結果になる。これらのエラーに起因する非直線性は、各々ステージで用いられる基準電圧Vr を列のステージと共に少し調整すれば補正されることができる。例えば、0.1%の利得エラーを補正するには、Vr を各々次のステージに対して0.1%だけ減少すればよい。
【0187】
代わりに、または更に、デジタルデータを各々ステージから受けるデジタルデータ処理手段80は、次のステージのデジタルデータを機能的に調整すれば、アナログ回路の電圧変換エラーに対して任意に要求される補正を実施できる。
高速動作が可能なADCを生成するには、スイッチエレメントおよびステージの増幅器エレメントの動作が十分に高速であることが基本条件になる。単位利得増幅器エレメント3は通常の演算増幅器より遥かに高速にデザインされることができて、なおかつ、SPICEシミュレーションは50nsの安定時間(10Ms/sの変換率に対応している)は適切な処理で16ビットの精度に具体的に相応していることを示していた。デプレションモードNMOSバッファを用いて且つ一部の分解能を犠牲にすると、10nsの安定時間が、12ビットの精度に対して可能になる。これは、図10のデザインに基づくADCはHDTVのようなアプリケーションに使用可能であることを示唆している。
【0188】
回路のノイズは図10のADCでは重要な問題でない、何故ならば、増幅器エレメントに起因するノイズは、それが増幅器エレメントに達する前に、アナログ入力電圧の倍圧に依って効果的に減少されるからである。増幅器エレメントは、それらが kT/C ノイズより少ないノイズに関連するようにデザインされることができるが考えられる。この kT/C ノイズは、任意に切り替えられるコンデンサー回路に於いて与えられ記憶されている電圧サンプルの精度を制約する熱ノイズが原因であり、なおかつ、非常に小さいコンデンサーが用いられることを妨げる。16ビットの信号とノイズの比率の場合、少なくとも10pFの記憶コンデンサーが次のステージに要求され、各々後のステージで半分に減少することが推定される。
【0189】
最高の特性とするために、図10のADCは、p−ウェル(n−基板)CMOSプロセスに依って、望ましくはデプレション・モード・デバイスを用いて好都合に生成される。
十分に大きい電圧スイングを得ることは単独の5V電源を用いても難しい(小さい電圧スイングは、低いノイズ・レベルが異なるステージを形成する回路に要求されることを意味している)、なおかつ、この問題は3.3Vのような低い電源電圧で益々難しくなる。
【0190】
しかし、ADCのデバイスは、それらが直列に接続されているので、完全に電源電圧に印加されるわけでない。すなわち、ソース/ドレイン・ダイオードだけが高電圧に印加されるが、これでさえも電源電圧と同じ大きさでない。最大電圧(5V)はウェル基板の接合部に生成される。この観点から、±3V(または±3.3V)正負両電源を、0V〜+3Vの範囲で作動する(最小限の幾何学的形状の)デジタル回路と、±3Vを使用するアナログ回路と共に使用することが望ましいと思われる。この正負両電源アプローチは、入力信号が0Vの何れかの側にスイングできるので直流結合されることができる大きな長所も有している。デジタルの消費電力も実効デジタル論理電源電圧の低下に従って減少され、なおかつ、これは十分な減少を総消費電力に与えると思われる。
【0191】
より小規模の幾何学的形状は、最大クロック周波数の向上を、これがアナログ消費電力に依って制限されない場合でも可能にすることができる。分割式電源装置の主な長所は、従って、ADCの動作の最高速度を向上すると思われる向上されるデジタル速度と減少される消費電力にある。
【0192】
【発明の効果】
本発明により、増幅器エレメントの浮遊容量のために生じるコンデンサと増幅器エレメントとの間の電流が低減されるため、コンデンサに蓄積される電荷により生じる電圧の変動が低減され、電圧記憶回路の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を具体的に実施する電圧記憶回路の回路図を示している。
【図2】図1の回路に搭載されている増幅器エレメントの1つの設計例を示している。
【図3】図1の回路で使用している増幅器エレメントの別の設計例を示している。
【図4】図1の回路に搭載されている入力スイッチ・エレメントを更に詳細に示している。
【図5】増幅器エレメントの別の設計を、図1の回路で使用している、スイッチ・ドライブ手段の事例と共に示している。
【図6】図1の回路の集積回路基板上での考えられるレイアウトの1つを示す図であり、(A)が平面図を、(B)が断面図を示している。
【図7】図1の回路の集積回路基板上での考えられるレイアウトの別つの例を示す図であり、(A)が平面図を、(B)が断面図を示している。
【図8】図1に図示されている電圧記憶回路を使用する電圧加算回路の回路図を示している。
【図9】図1に図示されている2つの電圧記憶回路を使用する倍電圧回路の回路図を示している。
【図10】複数の変換ステージを備えていて、各々が図9の倍電圧回路に基づいている、アナログ・デジタル・コンバーターの一部の回路図を示している。
【図11】単一の変換ステージを有する前述の本発明の第2の態様のアナログ・デジタル・コンバーターの部分的な回路図を示す図である。
【図12】図10のコンバーターにおいてステージを或る値から次の値にスケーリング・ファクターに依ってスケーリングする長所を示す、図10のコンバーターの部品の略図である。
【図13】 16のステージをもつ図10に図示されているコンバーターのケースに於いて、コンバーターの総消費電力とスケーリング・ファクターの間の関係と、コンバーターの総ノイズ量とスケーリング・ファクターの間の関係を示すグラフである。
【図14】チップに関して図10のコンバーターのレイアウトの1つの例を示す略図である。
【図15】従来の電圧記憶回路の回路図を示している。
【図16】図15の従来例の回路に搭載されている増幅器エレメントを更に詳細に示している。
【符号の説明】
1…スイッチエレメント
2…記憶コンデンサー
3…増幅器エレメント
4…電位生成回路(スイッチ駆動手段)
5…セレクター回路(スイッチ駆動手段)
31…カスケードソースフォロア
32…電流ソース
33…入力トランジスター
34…カスケードトランジスター
35…バイアス発生器
44…ブートストラップコンデンサー[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a voltage storage circuit used in an analog to digital converter, for example, to store an applied analog value before converting it to its digital equivalent value.
[0002]
[Prior art]
FIG. 15 of the accompanying drawings shows a conventional voltage storage circuit equipped with an input switch element 1, a storage capacitor 2, and a high impedance unity gain amplifier element 3. Originally, the analog input voltage V applied between the input terminals of the circuit when the switch element 1 is in a closed position (hereinafter referred to as a closed position).iIs applied to the storage capacitor 2, the potential difference between the plates of the storage capacitor is the input voltage ViFollow. Time tswitchSince the input switch element 1 is switched to the open position (hereinafter referred to as the open position) at the moment set in advance, the potential difference between the plates of the capacitor immediately before the switch is stored until the time when the input switch element 1 is closed again. Is done. During the period when the switch element is in the open position, the stored voltage is the output voltage VOThe amplifier element 3 functions to prevent loading of the storage capacitor by the circuit connected to the output terminal.
[0003]
FIG. 16 shows the input of the amplifier element 3 in more detail. This input is connected to the positive power supply line V of the amplifier element.ddThe drain electrode connected to the element and the negative power supply line V of the elementssA FET input transistor 33 having a source electrode connected via a current source 32 and a gate electrode connected to one plate of the storage capacitor 2 (upper plate in FIG. 15) is mounted. It can be seen that the FET input transistor 33 is connected in a so-called source follower configuration.
[0004]
Although not shown in FIG. 16, the source electrode potential is buffered between the source electrode of the FET input transistor 33 and the output of the amplifier element to output the output potential V.OStill another circuit is usually inserted to generate.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Using the amplifier element 3 of FIG. 16, the current source 32 causes the current to flow through the drain-source channel of the FET input transistor 33, so that its source electrode potential VSIs the gate electrode potential, that is, the stored potential V of the upper plate of the storage capacitor 2CIt will conform to. Therefore, the input part of the amplifier element 3 is actually the source electrode potential VSIs the potential V of the upper plate of the storage capacitor 2CAlthough it is always a little lower, it will have a substantially single voltage gain.
[0006]
Since the input section employs an FET input transistor with a very small gate current, the input impedance of the amplifier element is very high. Thus, after the input switch element 1 of the voltage storage circuit of FIG. 15 is opened, the storage capacitor will not be discharged to a sufficient level by the amplifier element 3.
[0007]
However, the amplifier element 3 of FIG.CWhen the potential of the capacitor fluctuates, charge inflow (or in the reverse direction) from the storage capacitor 2 to the input portion occurs. After the input switch element 1 is opened, this variation in the upper plate potential will not normally appear, but as will be described later in this specification, the upper plate potential VCT at the moment when the input switch element 1 opensswitchHowever, it fluctuates inevitably due to the instantaneous charge inflow due to the input switch element 1 itself. This charge inflow by the input switch element 1 induces fluctuations in the voltage stored in the storage capacitor 2. This variation is slight but significant in the case of high accuracy. In other words, this charge inflow at the moment when the switch element is opened causes some variation to occur on the potential V of its upper plate.CTo occur.
[0008]
The reason why charge inflow at the amplifier element input corresponds to fluctuations in the upper plate potential of the storage capacitor 2 will now be explained. As shown in FIG. 16, since the FET input transistor 33 inevitably has a slight parasitic capacitance between its electrodes, the gate-source parasitic capacitance C between the gate and the source electrode.gsGate-drain parasitic capacitance C between the gate and drain electrodesgd, Drain-source parasitic capacitance C between drain and source electrodedsExists. Whenever the potentials of these three electrodes fluctuate correspondingly, charge will flow into or out of the parasitic capacitance, and the combination of these charge flows into and out of the amplifier element input. Will result.
[0009]
In the case of the amplifier element of FIG. 16, since the input transistor 33 is connected in the above-described source follower configuration, its gate source potential is the upper plate potential V of the storage capacitor 2.CThe gate-source parasitic capacitance C is substantially constant regardless ofgsThe charge inflow due to s can generally be ignored. However, the gate-drain potential and the drain-source potential of the input transistor 33 are Vdd-VcAnd Vdd-VsSince it is not constant, the upper plate potential VcFluctuate based on So VcIs always changed, the charge is the gate-drain parasitic capacitance CgdAnd drain-source parasitic capacitance CdsIn either case, charge will flow into or out of the input of the amplifier element.
[0010]
When the input switch element is open, the flowing charge must charge or discharge the storage capacitor 2 based on the direction of flow. This charging or discharging causes an error in the voltage stored between the plates of the storage capacitor 2.
The influence of the parasitic capacitance of the input part of the amplifier element is particularly problematic when the capacitance of the storage capacitor 2 is not large relative to the capacitance of the parasitic capacitance itself. This seems to be the case when it is necessary to shorten the achievement time.
[0011]
[Means and Actions for Solving the Problems]
According to a first aspect of the invention, the voltage storage circuit has a storage capacitor and an amplifier element. The storage capacitor has one plate connected to the input terminal of the circuit via the input switch element and the other plate connected to the common terminal of the circuit, so that the input signal stored is when the circuit is in operation Applied between the input and the common terminal. The amplifier element has an input connected to one plate and an output connected to the output terminal of the circuit for providing an output signal between the output terminal and the common terminal based on the voltage stored in the storage capacitor. Have. The amplifier element has a controllable current path provided between each of the first and second current path electrodes of the device, and the potential controls the magnitude of the current in the current path. An electrical input device also comprising a control electrode applied for said control electrode, said control electrode being connected to one plate, and said first and second current path electrodes being a first current path Since the electrode potential and the second current path electrode potential are both connected to the potential tracking means so as to be able to follow the control electrode potential, the current flows through the controllable current path, so that the first and second current path electrode Each potential is held substantially fixed with respect to the potential of one plate.
[0012]
Using this design of the amplifier element, the potentials of the control electrode of the input device, the electrodes of the first and second current paths are all substantially fixed relative to each other and to one plate when the circuit is in operation. The parasitic capacitance that exists between these electrodes does not significantly affect the operation of the circuit. This prevents charge from flowing into or out of the amplifier element and consequently preventing charging / discharging of the storage capacitor due to the operation of the amplifier element connected to the one plate of the storage capacitor. Become. In this way, errors occurring in the voltage stored as a result of this charge / discharge are eliminated.
[0013]
The potential follower includes a current source connected to the first current path electrode to cause the first current path electrode potential to follow the control electrode potential, and the second current path electrode potential to the first current path electrode potential. It is desirable to have active follower means operatively connected between the first and second current path electrodes for tracking.
In this configuration, the first current path electrode is automatically tracked to one plate potential, so that the active follower means is functionally between the first and second current path electrodes, i.e. the input device. Connected exclusively on the output side, the required tracking of the second current path electrode can be achieved.
[0014]
The electrical input device is preferably a FET input transistor, the control electrode is the gate electrode of the FET input transistor, the first current path electrode is the source electrode of the FET input transistor, and the second current path is The electrode becomes the drain electrode of the FET input transistor and the controllable current path is provided by the drain-source channel of the FET input transistor.
[0015]
The FET input transistor has an amplifier element with a high input impedance that prevents the storage capacitor from discharging after the input switch element is opened, thereby unavoidably presenting the FET input transistor between gate and source. The parasitic capacitance between the gate and the drain and between the source and the drain does not affect the circuit operation.
[0016]
When the input device is a FET, the active follower means may have a cascaded FET transistor whose drain-source channel is connected in series with the drain-source channel of the FET input transistor, thereby The source electrode potential of the cascade connection transistor can follow the gate electrode potential. In addition, the active follower means includes a bias generator functionally connected between the source electrode of the FET input transistor and the gate electrode of the cascade connection transistor, in order to maintain a substantially constant potential difference therebetween. Can also have.
[0017]
Since this cascaded configuration is simple but effective, the series connection of the cascaded FET transistor and the FET input transistor ensures that the source electrode potential of the cascaded transistor automatically follows its gate electrode.
The amplifier element is advantageously composed of first and second substantially identical circuit parts, the first part having the input device and the active follower means and the second part being Current source.
[0018]
The symmetry of this circuit can provide high stability and predictability during operation of the amplifier element, particularly with respect to the relationship between the input and output potential of the amplifier element, and is advantageous for manufacturing.
The input switch element is preferably an electrical input switch element and operates based on the potential of its switching electrode, and the circuit causes the switching electrode potential to follow the input terminal when the input switch element is in its on state. In order to maintain the switching electrode potential in a substantially fixed state with respect to the input terminal potential, the switching electrode potential is varied in accordance with the input terminal potential. The input switch element is changed from its on state to its off state.
[0019]
In this circuit, since the control electrode potential is fixed with respect to the input terminal potential, the amount of charge flowing into the electrical switch element at the moment of switching to the OFF state is substantially independent of the level of the input signal. Thus, the error in the stored voltage due to this charge inflow will be substantially constant or at least linear for different input signal voltages, so that appropriate measures can be taken to compensate for this error. Will be given.
[0020]
The switching electrode potential is preferably derived from the output signal, which can be achieved without loading or affecting the input signal.
The switch driving means is preferably operatively connected to the output terminal, and on the basis of a switching signal received there, an on-potential is applied to the switching electrode and the input switch element. In order to hold the input switch element in the off state, and the on and off potentials are applied to the output terminal. Each of the potentials is substantially fixed but differs depending on a preset value.
[0021]
In this configuration, since both the on and off potentials are fixed with respect to the input signal potential, the charge inflow due to the input switch element is substantially constant regardless of the input signal potential.
The voltage storage circuit is also operatively connected to the output terminal so that each of the first and second bias lines is fixed to the potential of the output terminal, and the potential of the second bias line is The potential difference between the first and second bias lines is equal to one of the on and off potentials and may be greater than or equal to the preset value. In this case, the switch driving means comprises a bootstrap capacitor whose one plate is connected to the switching electrode to provide the switching electrode potential, and both plates of the bootstrap capacitor The one plate of the bootstrap capacitor is connected to the bias line and the switching electrode potential is changed from the one of its on and off potentials to another of these potentials. From a charging configuration that connects to the second bias line and operates to connect another plate to the first bias line, the one plate is separated from the second bias line and the other plate is Switch to a floating configuration that operates to connect to the second bias line of Since also has connecting means which can be, can be changed by a preset value of the its potential different from the potential of the potential of said one plate of the second bias line.
[0022]
In this configuration, one of the on and off potentials can be located outside the circuit power line, if desired.
In any case, the voltage storage circuit has first, second, and third bias lines operatively connected to the output terminal, respectively, in order to bring each fixed potential with respect to the output terminal potential. Is the third bias line potential equal to one of the on and off potentials and is the potential difference between the first and second bias lines greater than the preset value? Will be equal. In this case, the switch driving means comprises a bootstrap capacitor whose one plate is connected to the switching electrode to provide the switching electrode potential, and both of the bootstrap capacitors are provided. Said one plate of the bootstrap capacitor connected to the plate and said bias line and when the switching electrode potential is changed from said one of its on and off potentials to another of these potentials Is connected to the third bias line but separates the one plate from the third bias line from a charging arrangement that operates to connect another plate to the first bias line, but the other Floating configuration that operates to connect the plate to the second bias line Since also comprises a connecting means which can be switched, it is possible to change the potential of said one plate of only the preset value of its potential different from the third bias line potential.
[0023]
In this example, from the output terminal potential when the switch element is in one of its on and off states at the control electrode potential, the switch element is in another state of its on and off states. The required change from the output terminal potential to a different potential by the preset value is not suitable for directly applying the on and off potential, or the potential is preset from the output terminal potential It can be achieved using an internal bias line that is less than a different value or both.
[0024]
The electrical input switch element is preferably a MOSFET transistor, in which case one of the on and off potentials is substantially the same as the output terminal potential. For example, if the MOSFET transistor is an n-channel enhancement type MOSFET, the off potential can be substantially the same as the output terminal potential. When this MOSFET transistor is used as an electrical switch element, the generation of appropriate on and off potentials is preferably simplified, especially in the above case where the on and off potentials are the output terminal potential as the control electrode. It can be obtained by applying directly.
[0025]
The voltage storage circuit is formed on a single substrate, and the input switch element of the amplifier element and the input device are one or more of the opposite conductivity of the material covering the substrate. It is preferable that there is a means which is placed inside a well and causes the potential of the well or each well to follow the potential of the one plate. By controlling the well potential in this way, the parasitic capacitance of the circuit (including the capacitance of the switch element and the capacitance of any internal connections) can be bootstrapped. The well can be electrically connected to the output terminal of the circuit, for example. This allows the well potential to follow the output terminal potential.
[0026]
Since the storage capacitor is also placed in the well, the parasitic capacitance associated with it can be bootstrapped.
Preferably, one or more conductive shields extend the portion of each or each well, and there is means for causing the shield potential or each shield potential to follow the potential of the one plate. This helps to eliminate the effects of residual parasitic capacitance. In this case, since the conductive shield is also generally electrically connected to the output terminal of the circuit, the potential of the shield can follow the potential of the output terminal.
[0027]
When the amplifier element of the voltage storage circuit has the two substantially identical circuit parts, the first part of the amplifier element is located inside the one or more wells. And the second portion of the amplifier element is formed within one or more additional wells, each of the conductivity being located opposite the periphery of the substrate, wherein the well Alternatively, the potential of each further well is substantially fixed with respect to the potential of the power supply line of the circuit.
[0028]
The voltage storage circuit is disposed between the input terminal and the input side of the input switch element, and the input side potential of the input switch element is changed to the state of the storage capacitor after the element is changed to an off state. It is preferable to further include input potential holding means for holding the plate in a substantially fixed state with respect to the potential of one plate.
[0029]
This prevents the input switch element from being accidentally switched on when the input signal potential changes sufficiently corresponding to the control electrode potential after the element is switched off.
The input potential holding means is connected in series with the input switch element, and after the input switch element is changed to an OFF state, the input side of the element is separated from the input terminal. It is also possible to have a switch element that can be actuated to Thus, the fluctuation of the input signal potential after the opening of the further switch element does not affect the input side potential of the input switch element.
[0030]
The input potential holding means includes an auxiliary capacitor connected between an input side of the input switch element and another plate of the storage capacitor, or an input side of the amplifier element and the input switch element. Either or both of the feedback switch elements connected in between and operable to apply a potential derived therefrom to the potential of the one plate of the storage capacitor, the input side of the element being isolated You can also have.
[0031]
The gain of the amplifier element is advantageously substantially unitary. In this case, the control electrode potential and well potential can be conveniently “bootstrapped” to the output terminal potential because it is buffered when the amplifier element has a substantially unity gain. This is because the output terminal potential is substantially equal to the potential of one plate / the potential of the input signal. Thus, the required control electrode potential can be derived from the buffered output signal without affecting the input signal.
[0032]
The voltage storage circuit described above (its amplifier element has unity gain) can be mounted in a useful state in a voltage summing circuit. The voltage adder circuit includes first, second, and third input nodes to which first, second, and third potentials are applied when the circuit is in operation, and an output that is connected to an output terminal of the voltage storage circuit. A node, switching means connected to the input node and the voltage storage circuit. The switching means can switch from the input configuration to the output configuration after the input switch element of the voltage storage circuit is changed to the off state, and the input configuration includes the first and second input nodes. Each of the voltage storage circuits is operative to connect to the input and a common terminal, thereby enabling storage of the potential difference between the first and second potentials of the storage capacitor of the voltage storage circuit, and The output configuration operates to connect a common terminal of the voltage storage circuit to the third input node, so that a memory between the third potential and the first and second potentials is stored at the output node. It is possible to produce an output potential substantially equal to the sum of the differences being made.
[0033]
Since such a voltage addition circuit can perform voltage addition with very high accuracy, the accuracy basically depends only on the influence that the influence of the parasitic capacitance of the voltage storage circuit can be eliminated. It is prescribed. In each voltage storage circuit, various parasitic capacitances of the circuit (switch element capacitance, amplifier element input capacitance, arbitrary internal connection capacitance) are booted using the techniques described above. The only constraint on the removal of the strapped and substantially parasitic capacitance effects results from the gain error of the amplifier element. This gain error can be reduced to a very low level by employing an appropriately designed amplifier element.
[0034]
Each of the first and second voltage storage circuits has been described. However, each of the first and second voltage storage circuits has a unit gain amplifier element and can be mounted in a useful state in the voltage adding circuit. The voltage summing circuit applies a first pair of input voltages to the first and second input nodes and a second pair of input voltages to the third and fourth input nodes when the circuit is in operation. A third pair of input voltages applied to the fifth and sixth input nodes, the first, second, third, fourth, fifth, and sixth input nodes; And a switching means connected to the input node and the voltage storage circuit. The first and second output nodes are connected to the output terminals of the two voltage storage circuits. The switching means can switch from an input configuration to an output configuration after each input switch element of the first and second voltage storage circuits is changed to an off state, and the input configuration is A first input node and a second input node connected to the input and a common terminal of each of the first voltage storage circuits, and the third and fourth input nodes of each of the second voltage storage circuits; Since it operates to connect also to the input and the common terminal, the storage capacitor of the first voltage storage circuit stores the first potential difference between the two input voltages of the first pair. And allowing the storage capacitor of the second voltage storage circuit to store a second potential difference between the two input voltages of the second pair, and the output configuration is 1 Since each common terminal of the second voltage storage circuit is operated to connect to the fifth and sixth input nodes, respectively, the potential difference between the first and second output nodes is the first voltage. This makes it possible to generate a pair of output voltages substantially equal to the potential difference between the two input voltages of the three pairs and the sum of the stored first and second potential differences.
[0035]
  Depending on the anti-parallel connection of the two voltage storage circuits, the individual (fixed) amount of charge that is flowed in by each of the switch elements is different from each other at the moment they are switched off. It should be noted that since the circuit is the same, the difference between the input and output of the circuit is effectively eliminated.
  Although the first and second voltage storage circuits have already been described, each has a unity gain amplifier element and, in another preferred embodiment, can be mounted in a voltage doubler circuit. This voltage doubler circuit is doubledRuFirst and second input nodes to which an input voltage is applied during operation of the circuit; first and second output nodes respectively connected to respective output terminals of the first and second voltage storage circuits; And switching means connected to the input node and the voltage storage circuit. The switching means can switch from the input configuration to the output configuration after each input switch element of the first and second voltage storage circuits is changed to the OFF state, and the input configuration is the first configuration described above. An input node is connected to both the input terminal of the first voltage storage circuit and the common terminal of the second voltage storage circuit, and the second input node is connected to the second voltage storage circuit. Each of the storage capacitors of the voltage storage circuit is charged to the input voltage because the storage capacitor is operative to connect to both the input terminal of the first storage circuit and the common terminal of the first voltage storage circuit. And the output configuration is operative to connect each common terminal of the first and second voltage storage circuits to each other, and the storage capacitor is Since the first and second output nodes are connected in series with each other, it is possible to generate an output voltage between these output nodes that is substantially twice the input voltage. To do.
[0036]
Also, the anti-parallel connection of the two voltage storage circuits removes the charge flowing in by the input switch element, so that the voltage that is doubled becomes very accurate. The circuit has an improved speed / power / noise balance and is probably 10 times better than the same conventional proposal.
This voltage doubler circuit is particularly useful when mounted in an analog-digital converter (A / D converter) that performs voltage doubler operation in those conversion operations. This converter is incorporated in the voltage conversion stage. The voltage conversion stage is connected to the voltage doubler circuit as described above and to receive an operating voltage equal to or derived from the input voltage and also to receive a comparison potential and A voltage doubler circuit operable to perform a comparison between its operating voltage and said comparison potential and to provide digital data indicative of the result of the comparison; and a common terminal for each of said first and second voltage storage circuits Between the terminals and after the switching means is switched from the input configuration to the output configuration, a plurality of presets are made between the terminals according to the digital data. Applying an offset voltage having a value selected from the possible values, an offset voltage that differs between the output nodes by an offset voltage selected from twice the input voltage. Having a voltage adjustment means operable to generate a log conversion voltage.
[0037]
When the above-described high-precision voltage doubler circuit is used for this voltage conversion stage, the analog conversion voltage can be obtained from the input voltage with high accuracy preferable without using a complicated switching configuration because two storage capacitors are internally connected. Can be induced. This analog conversion voltage is one of a number of preselected offset voltages chosen based on the magnitude of the input voltage, as required, for example, by a “3-state logic” type analog-to-digital converter. Thus, it can be offset from twice the input voltage. The voltage adjusting means is connected between the common terminals of the first and second voltage storage circuits and is operable to apply the offset voltage between the terminals. Thus, the voltage adjusting means is connected in series with the two storage capacitors in order to cause a potential difference equal to the selected offset voltage between each of the other plates of the capacitors, and each of the storage capacitors Since each has a potential difference between the plates equal to the input voltage, the required offset of the analog conversion voltage from twice the input voltage is simply and high without the use of complex and low precision voltage adders. Achieved with accuracy.
[0038]
Preferably, the comparator means performs the comparison, but the switching means of the voltage storage circuit provides high speed operation with the input configuration.
In a preferred case, the comparator means is connected to the first and second input nodes, so that the input voltage becomes the operating voltage and the input voltage. Providing the digital data when the comparison potential is less than or equal to the negative comparison potential, and providing the second such digital data when the comparison potential is less than or equal to the input potential, and the third Of the digital data in all other cases, wherein the offset voltage selected according to the second digital data is −VrefAnd + VrefBecomes the offset voltage selected based on the first digital data, and the offset voltage selected based on the third digital data becomes zero, and the comparison potential is VrefSubstantially equal to / 4.
[0039]
By omitting the conversion operation performed at this conversion stage for miscode errors that are likely to arise from the offset voltage of the comparator means, the improvement in the accuracy of the voltage conversion operation performed by that stage will improve the overall conversion. Obtained in the form of improved accuracy.
One particularly good analog-to-digital converter is each of the aforementioned voltage conversion stages, wherein the analog voltage to be digitized is applied between the first and second input nodes of the series of first stages, and A sequence of N stages in which the first and second input nodes of the next stage are connected to the first and second output nodes of the previous stage, respectively, and each of the stages The switching means can then be operated to switch from the input configuration to the output configuration, and in each of the stages, except for the first stage, the switching means of the immediately preceding stage is the output configuration. Therefore, the stage to be switched before this switching is an analog conversion power generated by the immediately preceding stage as its input voltage. And for receiving the digital data provided by the N stages of columns and control means for controlling the analog conversion voltage to be generated when the analog conversion voltage is generated after this switching. And data processing means for comparing each N + 1 bit of the applied analog voltage to operate and derive a digital output word therefrom.
[0040]
This analog-to-digital converter can operate very quickly and generate one complete N + 1 bit digital output word of the clock period.
Preferably, the analog-to-digital converter operates alternately with the first and second clock phases, and the control means has an input configuration for each of the odd stages of the column in the first clock phase. Holding the switching means and operating to hold each switching means of the even stages in the output configuration, but holding each switching means of the even stages in the input configuration in the second clock phase, Operate to hold each switching means of the odd stage in the output configuration.
[0041]
This configuration allows the converter to operate at the aforementioned high speed while keeping the control of the stage as simple as desired.
For at least one pair of adjacent stages of the column, each storage capacitor of the first and second voltage storage circuits of the second stage of the pair is more electrostatic than an equivalent storage capacitor of the first stage of the pair. Preferably, the capacity is reduced and the ratio of the storage capacitors of the two stages of one or each pair is about 2: 1. This reduces the power consumption of the converter.
[0042]
For at least one pair of adjacent stages of the column, each amplifier element input device of the first and second voltage storage circuits of the second stage of the pair is more than the equivalent input device of the first stage of the pair. The width is preferably narrowed, and if the ratio of the width of the input devices of the two stages of one or each pair is about 2: 1, the power consumption will be further reduced.
[0043]
Further, for at least one pair of adjacent stages of the column, each current in the controllable current path of the amplifier element input device of the first and second voltage storage circuits of the second stage of the pair is a pair of It is preferable that the current ratio of the two stages of one or each pair is about 2: 1, which is smaller than the equivalent current of the first stage, and can further help to reduce power consumption.
[0044]
Further, in each of the second to nth stages of the converter, where 2 ≦ n ≦ N, the storage capacitors of the first and second voltage storage circuits of the stage are respectively It is preferred to have a capacitance that is reduced by a constant first scaling factor over these second to nth stages, relative to the capacitance of the equivalent storage capacitor of the stage. Scaling the capacitance in this manner by a constant scaling factor can reduce the power consumption of the converter and reduce the chip area required for the manufacture of the converter.
[0045]
The first scaling factor is preferably 2. The value of this scaling factor is optimal for reduced power consumption.
Furthermore, in each of the second to nth stages of the converter, ie here 2 ≦ n ≦ N, the amplifier element input device of each voltage storage circuit of the stage is equivalent to the previous stage. For these amplifier element input devices, the channel width is reduced by a constant second scaling factor over these second to nth stages.
[0046]
Thus, scaling by a constant factor for a number of subsequent stages can also contribute to a reduction in converter power consumption and the chip area occupied thereby.
The second scaling factor is also preferably 2, which leads to an optimal reduction in power consumption.
[0047]
Furthermore, in each of the second to nth stages of the converter, ie here 2 ≦ n ≦ N, the current in each of the controllable current paths of the amplifier element input device of the stage is Preferably, the current in the immediately controllable current path of the previous stage is controlled to be reduced by a constant third scaling factor from these second to nth stages.
[0048]
This scaling can further contribute to reducing the power consumption of the converter.
The third scaling factor is also preferably 2. This value is optimal for reducing power consumption.
In another preferred embodiment, for at least one pair of adjacent stages of the column, at least one of said preset possible values of the offset voltage in the second stage of the pair is: This is partially adjusted by comparison with a corresponding preset possible value of the offset voltage in the first stage of the pair.
[0049]
This partial adjustment can be used to correct the gain error of the amplifier elements used in each stage so that the overall operation of the converter is accurate despite the imperfections of these amplifier elements. Can be maintained.
Alternatively, or additionally, the data processing means may provide digital data provided by the comparator means of each of the next stages in the column to facilitate correction of these next stage voltage conversion errors. Can operate to adjust partially.
[0050]
Another excellent analog-digital converter has first and second stages, each of which is the aforementioned voltage conversion stage, control means, and data processing means. These first and second stages have first and second output nodes of the first stage connected to first and second input nodes of the second stage, respectively, and the second stage of the second stage. The first and second output nodes are connected to each other so as to be connected to the first and second input nodes of the first stage, respectively, and the digitized analog voltage is used for the repetitive conversion operation of the converter. At the beginning, it is applied between the first and second input nodes of the first stage. The control means operates so that the switching means of the first and second stages starts from the first stage and is alternately switched from the input configuration to the output configuration. Since the switching means of the other stage is in the output configuration, one stage before this switching receives the analog conversion voltage generated by the other stage as its input voltage, and the analog conversion voltage is based on this switching based on it. Control to be performed at a certain stage when it is generated later. A data processing means is connected to receive the digital data applied alternately by the first and second stages during the iterative conversion operation and each digital output of an applied analog voltage Operates to derive a word from it.
[0051]
This analog to digital converter results in a preferred compact and simple design since it is required to perform the conversion operation in only two stages.
The voltage conversion circuit according to the second aspect of the present invention operates alternately at the first and second clock phases, and the first and second analog input voltages to be digitized during the operation of the converter are applied. First and second voltage storage circuits including a second input node, unity gain amplifier elements having first and second storage capacitors and input and output terminals, respectively, input sampling means; First and second output nodes respectively connected to the amplifier element output terminals of the second voltage storage circuit, comparator means, voltage adjusting means, switching means, and data storage means are provided. The amplifier elements of the first and second voltage storage circuits are for controlling a controllable current path provided between each first and second current path electrode of the device and the magnitude of the current in this current path. An electrical input device having a control electrode to which a potential is applied, the control electrode being connected to the input terminal of the amplifier element, the first and second current path electrodes being connected to the potential follower means Connected so that the potentials of both the first and second current path electrodes follow the control electrode potential. While current flows through the controllable current path, the potentials of the first and second current path electrodes are maintained to be substantially constant with respect to the potential of the input terminal. The input sampling means operates to connect the input terminal of the first voltage storage circuit to the first input node and connect the input terminal of the second voltage storage circuit to the second input node during the first phase of the clock. To do. The comparator means is further connected to receive the comparison potential at the first and second output nodes, and compares the potential difference between the first and second output nodes with the comparison potential at each clock phase, and shows the comparison result. Give digital data. The voltage adjusting means has a set of connection terminals and has a value selected from a plurality of predetermined values in each clock phase according to the digital data provided by the comparator means at the immediately preceding clock phase. It operates to apply an offset voltage between these terminals. The switching means connects two first storage capacitors and a connection terminal in series between the input terminals of the amplifier element and connects the second storage capacitor between the first and second output nodes in the first phase of the clock. Operating in parallel, in the second phase of the clock, two second storage capacitors and a connection terminal are connected in series between each input terminal of the amplifier element, and the first storage capacitor is connected The first and second output nodes operate so as to be connected in parallel to each other. The data processing means is connected to receive the digital data provided by the comparator means over a plurality of phases of the clock and operates to derive a digital output word representing an applied analog input voltage therefrom. To do.
[0052]
In order to perform the conversion operation with such an analog-digital converter, only one stage is required, and as a result, a design that can be particularly downsized is possible. The analog-to-digital converter of the third aspect of the present invention has a plurality of similar voltage conversion stages connected in series so that the output of one stage becomes the input of the next stage. Each stage has a storage capacitor that is selectively connected to the input of the stage to store the input voltage of the stage, and a storage capacitor and stage to provide an output voltage of the stage that depends on the stored input voltage. And an amplifier element selectively connected between the outputs. In at least one stage except the first stage of the column, the storage capacitor capacitance is less than the storage capacitor capacitance of the previous stage, or the width of the amplifier element input transistor is the input transistor of the previous stage amplifier element. Less than the width of both, or both.
[0053]
An analog-to-digital converter having such a “scaled” series of voltage conversion stages provides a trade-off that makes the overall improved relationship between noise and power consumption appropriate. The factor (scaling factor) for scaling the storage capacitor capacitance and / or the input transistor width from one stage to the next is preferably close to two. Scaling may be stopped in only the first few stages, for example, sequentially scaled for the first 6 stages, with the remaining stages being a constant size.
[0054]
【Example】
The voltage storage circuit of FIG. 1 is preferably an electrical switch element 1 (hereinafter referred to as a MOSFET transistor), which is a MOSFET transistor, a storage capacitor 2, a unity gain buffer 3, and an output terminal circuit and a gate electrode (control) of the MOSFET transistor 1. The switch driving means 4 and 5 are bootstrapped and connected between the electrodes).
[0055]
FIG. 2 shows a first example of the structure of the amplifier element 3 of the circuit of FIG. The element 3 has two basic parts, that is, a cascade source follower 31 and a current source 32.
The cascade source follower 31 includes an n-channel MOSFET input transistor 33 whose gate electrode is connected to one plate of the storage capacitor 2 (upper plate in FIG. 1). The drain-source channel of the input transistor 33 is connected in series with the drain-source channel of a further n-channel MOSFET transistor, now referred to as the cascade transistor 34. The drain electrode of the cascade transistor 34 is the positive power supply line V of the circuit.ddHowever, the source electrode of the input transistor 33 is connected to the output terminal OUT of the circuit.
[0056]
Also in the cascade source follower 31, a bias generator 35 is connected between the source electrode of the input transistor 33 and the gate electrode of the cascade transistor 34. The bias generator operates to maintain a substantially constant potential difference between the gate electrode of the cascade transistor and the source electrode of the input transistor 33 regardless of variations in the source electrode potential.
[0057]
The current source 32 is configured in substantially the same way as the cascade source follower 31, and the output terminal OUT of the circuit and the negative power supply line V of the circuit.ssTwo n-channel MOSFET transistors 36 and 37 (corresponding to the transistors 33 and 34 of the cascade source follower 31, respectively) connected in series between the gates of the transistor 37 and a substantially constant potential difference. It has an associated bias generator 38 (corresponding to the bias generator 35 of the cascade source follower 31) that operates to hold between the electrode and the source electrode of the transistor 36. In this case, the source electrode of the transistor 36 is the negative power supply line V.ssSince the gate electrode potential of the transistor 37 is fixed to the negative power supply line. The current source 32 has a bias input BIAS connected to the gate electrode of the transistor 36. A bias potential can be applied to the bias input of current source 32 to control the operation of the element, as will be described later.
[0058]
Since the current source 32 is connected in series with the cascade source follower 31, it is connected to the positive and negative power lines V.ddAnd VssIt works to complete the current path between.
With respect to the operation of the amplifier element of FIG. 2, the current source operates so that a substantially constant current flows through each of the transistors 33 and 34 of the aforementioned current path or cascade source follower 31. This causes the source electrode potential of the input transistor 33 to follow the gate electrode potential, so that the potential V of the output terminalOFollows the potential Vc of the upper plate of the storage capacitor 2. Therefore, the voltage gain of the element substantially becomes a unit value.
[0059]
Similarly, the source electrode potential of the cascade transistor 34 is made to follow the gate electrode potential, and the potential is sequentially held by the bias generator 35 so as to be substantially fixed with respect to the source electrode potential of the input transistor 33. . Therefore, the drain electrode potential of the input transistor 33 follows the source electrode potential, and the potential V of the upper plate of the storage capacitor 2.cWill follow.
[0060]
As will become apparent, the potential V of the top plate of the storage capacitor 2cRegardless of the above, the source and drain electrode potentials of the input transistor 33 are substantially fixed to each other and to the gate electrode potential of the input transistor. Therefore, gate-source, gate-drain, drain-source parasitic capacitance Cgs, Cgd, CdsAre not charged or discharged even if the potential Vc of the upper plate of the storage capacitor 2 fluctuates, so that these parasitic capacitances do not substantially affect the voltage stored in the storage capacitor 2.
[0061]
Since the input transistor 3 is a FET input transistor, the gate current is substantially zero and the charge stored in the storage capacitor is substantially removed by the operation of the amplifier element 3 after the input switch element 1 is opened. Not.
In the case of the amplifier element of FIG. 2, the actual output terminal potential is the upper plate potential VcIs not exactly equal, but is slightly reduced according to the gate-source voltage difference when transistor 33 is on, as shown below:
VO= VC-(VT+ VDSAT)
Where VTIs the threshold voltage of the input transistor 33 and VDSATIs the saturation voltage of the input transistor 33.
[0062]
As is apparent from FIG. 2, the cascade source follower 31 and the current source 32 are configured in substantially the same manner. Accordingly, the corresponding portion of the input transistor 33 of the cascade source follower 31 becomes the transistor 36 by the current source 32, and the aforementioned bias potential is applied to the transistor 36. Since the same current flows through the drain-source channel of each of transistors 33 and 36 and these transistors are the same size, the gate-source potential of transistor 33 is to adjust the gate-source potential of transistor 36 of current source 32. Can be controlled accordingly. Since the gate-source potential of this transistor 36 is equal to the difference between the bias potential and the potential of the negative power supply line, when an appropriate constant bias potential is applied to the bias terminal, the output terminal potential Vo and the top of the storage capacitor 2 Plate potential VCThe difference between can be set to the desired small constant level.
[0063]
In the case of the amplifier element of FIG. 2, the transistors 33, 34, 36, 37 can be depletion or enhancement type.
FIG. 3 shows a more detailed example of the structure of the amplifier element 3 that uses a depletion type n-channel MOSFET transistor to provide high speed operation. In the case of the example of FIG. 3, the amplifier element again carries the cascade source follower 31 and the current source 32, and the FET input transistor 33 of the cascade source follower 31 is the cascade source already described with reference to FIG. Reconnected to the follower configuration, the gate electrode of the transistor 33 is connected to the potential V of the upper plate of the storage capacitor 2.CThe source electrode of the transistor 33 is connected to the output terminal OUT of the circuit, and the drain electrode of the transistor 33 is connected to the circuit via the first and second cascade transistors 341 and 342. Positive power line VddIt is connected to the.
[0064]
In this case, the cascade bias generator 35 includes three series-connected transistors 351, 352, and 353 connected to apply an appropriate bias potential to the gate electrodes of the first and second cascade transistors 341 and 342, respectively. Therefore, the gate electrodes of the cascade transistors 341 and 342 are each held at a potential that is substantially fixed with respect to the source electrode potential of the input transistor 33.
[0065]
The current source 32 of the amplifier element in FIG. 3 is configured in the same manner as the cascade source follower 31, and the source electrode of the input transistor 31 and the negative power supply line VSSThree series-connected transistors 36, 371, and 372 (corresponding to the transistors 33, 341, and 342 of the cascade source follower 31, respectively) connected between are mounted. In this case, the gate electrode potential of the transistor 36 (which is the same as the bias potential applied to the bias input of the amplifier element of FIG.SSThe gate electrode potential of each of the transistors 371 and 372 is applied to the bias generator 38 (configured in the same manner as the bias generator 35 of the cascade source follower 31), which includes three series-connected transistors 381 to 383. Is given by. It can be seen that the bias generators 35 and 38 are connected in series with each other between the positive and negative power supply lines to complete additional current paths therebetween.
[0066]
In the case of the amplifier element of FIG. 3, the gate electrode of the transistor 36 of the current source 32 is connected to the negative power supply line V.SSAre directly connected to each other, the potentials of the gate and the source of the transistor 36 are equal to each other. Since the same drain-source current flows through the input transistor 33 as if it flows through the corresponding transistor 36 of the current source 32, and the cascade source follower 31 and the current source 32 have substantially the same configuration, the cascade source follower 31 The potentials of the gate and source are also substantially the same in terms of potential. Therefore, the voltage gain of the amplifier element of FIG. 3 is closer to the unit value (approximately 0.9995) than the amplifier element of FIG. Similar to the amplifier of FIG. 2, the amplifier element of FIG. 3 can also operate at high speed. In other respects, however, the operation of the element of FIG. 3 is substantially the same as the amplifier element of FIG.
[0067]
Returning now to FIG. 1, the bootstrap switch drive means has an input connected to the output terminal of the circuit, and each of its outputs has a potential V having a fixed offset from the output terminal potential.highAnd Vlow(Vhigh> Vlow) Is installed. These two potentials must be at appropriate levels in addition to the gate electrode of MOSFET 1 to hold it in its on and off conditions.
[0068]
Two potentials VhighAnd VlowIs applied as an input to a selector element 5 which also receives a switching signal CK. The output of the selector circuit 5 is connected to the gate electrode of the MOSFET switch element 1 in order to control its potential. The selector element 5 sets the gate electrode potential to two potentials V.highAnd VlowSwitching based on the switching signal CK. This signal CK becomes a logic signal given by a digital logic circuit that controls the operation of the voltage storage circuit.
[0069]
In order to prevent accidental charge inflow by the MOSFET input switch element 1 to the storage capacitor 2 when the input switch element is turned off, the control potential applied to the gate electrode of the MOSFET will now be explained using the example of FIG. Thus, at least when the MOSFET is on, it must be substantially fixed with respect to the input terminal potential.
[0070]
FIG. 4 shows in detail the input switch element 1, in this case an n-channel enhancement type MOSFET. MOSFET 1 includes a source electrode that provides an input terminal IN of the switch element, a drain electrode that provides an output terminal OUT of the switch element, and the two control potentials V described above.highAnd VlowThe gate electrodes are connected so that they can be switched alternately. The drain-source channel of a transistor becomes non-conductive when the potential of its gate channel is zero (or negative), and the applied control potential is Vlow(≦ VO), The output terminal of the switch element is separated from its input terminal, and the off-resistance (Roff) Is generally greater than 10,000 MΩ. Gate potential is Vhigh(> VO) Is charged to the on-resistance (Ron) Is in units of 10 or 100 s ohms.
[0071]
In the case of an analog-to-digital converter using a voltage storage circuit as illustrated in FIG. 1, it is usually required that the operation of the switch element 1 be controlled by the converter's digital logic, and in part For this reason, digital logic potentials that are fixed in conventional proposals (eg 0 volts and + VddVolts) have been added for convenience to the gate to control the switching of the element.
[0072]
However, problems arise when this digital logic potential is used as described herein.
The MOSFET switch element 1 in FIG. 4 is unavoidably parasitic gate-channel capacitance CgsBetween the gate electrode and the drain-source channel. This parasitic capacitance has a first component due to the physical overlap between the gate and the channel of the FET and a second component associated with the charge stored in the channel when the FET is on. . This second component together with the channel potential (ie the potential V of the signal to be switched)iWith) but fluctuates accidentally.
[0073]
The capacitance of the gate channel changes at the instant t.switchCharge inflow to the channel from the gate, which in turn gives an error to the stored voltage. The charge inflow due to the first component of the capacitance of the gate channel is tswitchGate voltage at ΔVGIs basically dependent on the fluctuations of (eg 0-VDD= -VDD) So tswitchChannel potential V atiIs virtually independent of However, the charge inflow caused by the second component of the capacitance of the gate channel is the potential V of the input signal corresponding to the gate potential at the moment of switching.iWhich results in errors and non-linearities in the operation of the voltage storage circuit described above.
[0074]
Compensating for such charge inflow, eg, by combining the inverted version of the gate signal through a slightly adjustable capacitor, is not a practical method, because the second of the gate channel capacitance described above. This is because the components cannot be accurately predicted.
In the case of a conventional proposal using a fixed control potential, such as a digital logic potential, the instant t of switchingswitchThe effect of charge influx on is increased when it is desired to use a storage capacitor with a small capacitance in order to shorten the circuit achievement time.
[0075]
However, in the case of the bootstrapped switch driving means 4, 5 of FIG. 1, at least the control potential applied to the switch element 1 is the potential V of the input terminal in order to keep it in the ON condition.iSo that the amount of charge flowing in by element 1 becomes substantially constant regardless of the input terminal potential when it is switched off. Since this charge inflow is constant, it leads a constant error to the stored voltage, which can be easily compensated.
[0076]
The control potential applied to the switch element 1 in some cases is the input potential V as shown in FIG.iIt may be possible when held in an off condition that is fixed (as opposed to on) rather than changing in This is due to the parasitic capacitance C of the gate channel described above.gcThis is because the first component is a linear characteristic.
Required potential VhighAnd VlowDepends on the MOSFET NO type used for MOSFET 1 and the threshold voltage. This switch element is an enhancement type or a depletion type and can be an n-channel or a p-channel. For an n-channel MOSFET, VhighIs applied to the gate electrode, turns on the MOSFET (ie VhighBecomes ON potential), VlowIs added to turn it off (ie VlowIn the case of a p-channel MOSFET, VhighIs applied to the gate electrode to turn off the MOSFET (ie VhighBecomes OFF potential), VlowIs turned on (ie VlowBecomes ON potential).
[0077]
Threshold voltage VTFor an n-channel MOSFET with a low on-resistance,
Vhigh-Vi≧ VT+ Von
Where VonIs a preset potential difference.
Similarly, at high off-resistance,
Vlow-Vi<VT+ Voff
Where VoffIs also a preset potential difference.
[0078]
The difference between the on and off potentials is therefore Von+ VoffWhich must be at least several hundred mV.
Output terminal potential VODirectly using the two potentials VhighAnd VlowCan be given. For example, if MOSFET switch element 1 is an n-channel depletion type switch element, VhighIs simply VObecome. Similarly, if MOSFET switch element 1 is an n-channel enhancement type switch element, VlowIs the output terminal potential VObecome.
[0079]
In the voltage storage circuit of FIG. 1, a potential generation circuit 4 is shown inserted between the output terminal and the selector circuit 5. However, this circuit 4 has the required potential VhighAnd VlowMay be omitted in some cases when it can already be used on the conventional internal bias line of the circuit, in particular on the internal bias line of the amplifier element 3. Instead, as will be explained in more detail later using the example of FIG.highAnd VlowIs the potential VhighAnd VlowMay be derived from an internal bias line potential that is not directly suitable to provide
[0080]
In the example of the exact configuration of the amplifier element 3 described above, it is clear that the amplifier element is equipped with bias generators 35 and 38 that provide a gate electrode bias voltage on the internal bias line of the element. These bias voltages follow the potential at the output terminal.
The potential levels of these internal bias lines are suitable for directly providing the required on and off potentials for use in controlling the switching of the switch element 1, in which case the potential of the circuit of FIG. The generation circuit 4 can of course be omitted entirely.
[0081]
In other cases, the amplifier element has a pair of internal bias lines between which the potential difference between the required on and off potentials (Von+ Voff) Seems to be greater or equal. However, the potential level of each of the paired internal bias lines may not necessarily be suitable for directly providing on and off potentials. Instead, one of the required on and off potentials is, for example, an on potential in the case of an enhancement type MOSFET switch element or an off potential in the case of a depletion type MOSFET switch element. You may need to be located outside.
[0082]
These difficult problems can be solved by adopting a circuit configuration suitable for the amplifier element 3 and the switch driving means 4 and 5, which will be described next with reference to FIG.
In the case of FIG. 5, the amplifier element 3 is mainly made of enhancement-type n-channel MOSFET transistors, but may be configured in a similar state to the example shown in FIGS. Source follower 31 and current source 32 are connected to positive power supply line VddAnd negative power line VssAre connected in series. As described above, the cascade source follower 31 includes the input transistor 33 and the cascade transistor 341 in addition to the positive power supply line V.ddAnd a transistor 342 connected between the drain electrode of the transistor 331 and the positive power line VddA cascade bias generator 35 is mounted between the source electrode of the input transistor 33 and a transistor 351 and 352 connected in series together with a further transistor 353. In this case, the output terminal OUT of the circuit is at substantially the same potential as the gate electrode of the transistor 33 when the amplifier element is in operation, ie the voltage V of the upper plate of the storage capacitor 2 connected to the gate electrode.CIs connected to the drain electrode of the transistor 351. In this regard, transistors 342 and 353 are selected to form a PMOS current mirror that functions to reduce amplifier gain error by ensuring that the current in transistor 351 is the same as input transistor 33. And connected so that the output voltage substantially follows the input voltage. However, it should be noted that this use of the PMOS current mirror is optional.
[0083]
The amplifier element 3 of FIG. 5 is equipped with a first internal bias line L1 connected to the source electrode of the transistor 31. When current is flowing, this internal bias line is connected to the threshold voltage V of transistor 31.TCapacitor voltage V by a magnitude equal toCLower potential V1 That is, V1 = VC-VTRetained.
[0084]
Amplifier element 3 carries a further bias line L 'connected to the drain of transistor 351 of the cascade bias generator, where the bias line (described above) is substantially a capacitor when the circuit is in operation. Voltage VCAlthough being held, the potential difference between the internal bias lines L1 and L ′ is the aforementioned potential difference (V between the on and off potentials required for the control of the switch element 1).on+ Voff) Is smaller. However, transistor 352 between transistors 351 and 352 of cascade bias generator 35 has a threshold voltage V of transistor 352 in the second bias line L2 of the element.TOutput terminal potential V by a magnitude substantially equal toOMore always the magnitude potential V2Operates to generate The potential difference between the first and second bias lines L1 and L2 is the threshold voltage 2V of the two transistors.TWhere the potential difference is the required difference between the on and off potentials of the switch element 1 (Von+ Voff) Greater than or equal.
[0085]
These potentials V1 And V2An example of switch drive means 4 and 5 that can generate the required on and off potentials using is now described. In this example, the switch element 1 is an n-channel enhancement type, so that the OFF potential VlowIs the output terminal potential VOThe on potential is Vhigh≒ Vlow+ 2VTThis on potential becomes the positive power line V in this example.ddCan be higher.
[0086]
In FIG. 5, the potential generating means 4 is connected to the bootstrap capacitor 44 to provide a controllable connection between the plate of the bootstrap capacitor 44, the internal bias lines L1 and L2 and the output terminal OUT. The connection means 45 for mounting the transistors 451 to 453 is mounted.
The transistors 451 to 453 of the connection means 45 each receive a logic signal SW whose logic level is high when the switch element 1 is off and whose logic level is low when the switch element 1 is on.
[0087]
Since the logic signal SW is derived from the switching signal CK used to control the switch element 1, it can be changed from a high logic level to a low logic level based on the switching signal CK.
Since the transistor 451 is a p-type transistor, it is turned on when the logic level of the logic signal SW is low, and the transistors 452 and 453 are n-type transistors and are turned on only when the logic level of the logic signal SW is high.
[0088]
The p-type transistor 451 is connected between the second bias line L2 and the negative plate of the bootstrap capacitor 44, and the n-type transistor 452 is connected between the plate and the first bias line L1. The n-type transistor 453 is connected between the positive plate of the bootstrap capacitor 44 and the output terminal OUT.
[0089]
The positive plate of the bootstrap capacitor 44 is connected to the gate electrode of the switch element 1 in a permanent structure.
The operation of the switch driving means 4 and 5 in FIG. 5 is as follows. Since the n-type transistors 452 and 453 are switched on when the logic signal SW is at a high logic level that causes the switch element to turn off, the positive plate of the bootstrap capacitor 44 and the gate electrode of the switch element 1 are connected to the output terminal V.O(Vlow), But the negative plate of the capacitor 44 is the potential V of the first bias line L1.1(= VO-VT). Therefore, the bootstrap capacitor is VTIs charged to a potential substantially equal to
[0090]
When the logic signal SW is changed from a high logic level to a low logic level in response to the switching signal CK and the switch element is turned on, both the n-type transistors 452 and 453 are turned off, and the p- The type transistor 451 is switched on. Therefore, the negative plate of the bootstrap capacitor 44 is connected to the potential V of the output terminal.OWhen separated from V1 To V2Will be changed. As a result, the potential of the positive plate is changed by the fluctuation of the negative plate potential (V2-V1≒ 2VT), And the positive plate potential is V2-V1Only changes. As a result, the electrode potential of the gate of the switch element 1 is even if VO+ 2VT> VddEven in the case ofO(= VLOW) To V + 2VT(= Vhigh).
[0091]
The capacitance of the bootstrap capacitor 44 ensures that the rate of change of the positive plate potential of the bootstrap capacitor 44 at the moment of switching is not unduly small compared to the corresponding change at the negative plate potential. Therefore, it should be noted that it is larger than the capacitance of the gate of the switch element 1.
[0092]
As mentioned above, using a bootstrap capacitor and appropriate connection means that operate based on the switching signal CK used to control the switching, the required on and off potentials are applied to the internal bias line of the circuit. From the potential, these lines can be derived even when they do not have a potential that is suitable for providing their on and off potentials directly. The bootstrap capacitor 44 also allows these on and off potentials to be external to the circuit power line. Furthermore, the use of an internal bias line that is already present in the circuit when generating on and off potentials results in significant savings in the required circuit size.
[0093]
Preferably, the voltage storage circuit of FIG. 1 includes all parasitic capacitances of the circuit, including the capacitance of the switch element 1, the input capacitance of the amplifier element 3, and the capacitance of any internal connections. It is configured as an integrated circuit to allow bootstrap.
To achieve this purpose, the components of the switch element 1, storage capacitor 2 and amplifier element 3 of the circuit of FIG. 1 are of a conductivity type well (represented by 7 in FIG. 1) opposite to the surrounding members of the substrate. ). For example, when the integrated circuit is a CMOS type having an n-substrate, the well 7 in which the switch element 1, the storage capacitor 2, and the buffer element 3 are formed is a p-conductive type. The well has a potential V of the upper plate of the storage capacitor 2.CConnected so as to be substantially fixed. For example, the well can be electrically connected to the output terminal of the circuit, as illustrated in FIG.
[0094]
FIG. 6 shows one possible layout for the voltage storage circuit of FIG. 3 when the amplifier element 3 is substantially configured as shown in FIG. 2 within the integrated circuit. Yes. As shown in FIG. 6, the switch element 1, the storage capacitor 2, the input transistor 33, and the cascade transistor 34 of the amplifier element 3 are formed inside a p-well 7p formed of an n-substrate 8n. . The current source 32, the current source bias generator 33 (both not shown in FIG. 6), the cascade bias generator 35 and the switch driving means 4 and 5 are formed outside the well 7p. The cascade bias generator 35 and the switch driving means 4 and 5 can alternatively be located inside the well.
[0095]
As shown in detail in FIG. 6, the input voltage of the circuit of FIG. 1 is applied between its input terminal (IN) 11 and common terminal (COM) 12, which is the lower plate of the storage capacitor 2. 21 is connected. The upper plate 22 of the storage capacitor 2 is also connected to the gate electrode 33 g of the transistor 33 and the drain electrode 1 d of the switch element 1. A source electrode 1 s of the switch element 1 is connected to an input terminal (IN) 11.
[0096]
The output terminal (OUT) 13 of the circuit is connected to the source electrode 33 s of the transistor 33, and the transistor 33 is formed by mounting a common channel 33 c together with the cascade transistor 34. The drain electrode 34d of the cascade transistor 34 is a positive power rail VddThe gate electrode 34g is connected to the output terminal 13 via the cascade bias generator 35. The switch driving means 4 and 5 are connected between the output terminal 13 of the circuit and the gate electrode 1g of the switch element 1.
[0097]
As shown in FIG. 6B, the p-well 7p is n+P given inside p-well 7p at that position adjacent to channel 33c+The contact portion 9 is electrically connected to the output terminal 13. The contact 10 connects the contact portion 9 to the output terminal 13 as shown in FIG. Also, as shown in FIG. 6B, a shield 15 is optionally provided for the device inside the well, where the shield is electrically connected to the output terminal 13 of the circuit by a contact 16. Connected.
[0098]
It will be appreciated that the MOSFET switch element 1 and transistors 33 and 34 of the amplifier element 3 must be of the n-channel type since they are formed in FIG. 6 with p-wells.
In the case of the amplifier element of FIG. 3, the cascade source follower 31 (including the FET input transistor 33, the cascade transistors 341 and 342, and the transistors 351 to 353 of the cascade bias generator 35) is a circuit on which the storage capacitor 2 and the switch element 1 are mounted. Are formed entirely inside the p-well. As described above, the well is electrically connected to the output terminal OUT of the circuit, for example. The current source 32 of the amplifier element of FIG. 3 is then formed with a second p-well that must be electrically connected to the point of the circuit. The potential is fixed with respect to the power supply line of the circuit, for example, the negative power supply line itself.
[0099]
In the case of the circuit of FIG. 1, it is not essential that the switch element 1, the storage capacitor 2, and the amplifier 3 are formed in one well. In the case of FIG. 7, the switch element 1, the storage capacitor 2, and the amplifier element 3 are formed by different p-wells 71p, 72p, and 73p, respectively.
[0100]
The p-well 71p is electrically connected to the circuit output terminal (OUT) 13 via the auxiliary buffer element 17 and contacts 18 and 19, and is at a potential substantially fixed with respect to the output terminal. Therefore, the potential is substantially fixed with respect to the potential of the upper plate of the storage capacitor 2.
The p-well 72p is electrically connected to the lower plate 21 of the storage capacitor via the contact 23 in order to have a potential that is substantially fixed with respect to the potential of the upper plate when the switch element 1 is in an OFF condition. Connected.
[0101]
Since the p-well 73p is electrically connected to the output terminal (OUT) 13 of the circuit by the contact 18, it also becomes a potential that is substantially fixed with respect to the potential of the upper plate of the storage capacitor 2.
The components 14 and 24 of the internal connection portion between the circuit elements 1 and 2 outside the wells 71P, 72p, and 73p extend to the internal connection shield portions 151 and 152 in which the potential is kept the same as the potential of the well. Therefore, the parasitic capacitance associated with the internal connection can be removed.
[0102]
The well 72p of the storage capacitor 2 is optional.
A particularly good application of the voltage storage circuit already described with reference to FIGS. 1 to 5 will now be described with reference to FIG.
FIG. 8 shows a voltage adder circuit using a voltage memory circuit configured as described above with reference to FIG.
[0103]
The voltage adding circuit includes the input switch element 1 and the first input node I in addition to the components of the voltage storage circuit of FIG.1 Input isolation switch element 46 connected in series to that element between and on one side, respectively, second and third input nodes I2And IThreeOn the other side, the selection switch element 47 connected between the common terminals COM of the voltage storage circuit, and the feedback switch connected between the output terminal OUT of the voltage storage circuit and the input side of the input switch element 1 The element 48 is mounted.
[0104]
An auxiliary capacitor 49 is also optionally provided connected between the input side of the input switch element 1 and the common terminal COM of the voltage storage circuit, in which case the feedback switch element 48 can be omitted.
When the voltage adding circuit of FIG. 8 is used, both the switch elements 1 and 46 are originally controlled to be on, but the feedback switch element 48 is kept off. At this time, the selection switch element 47 is connected to the second input node I.2And a common terminal COM of the voltage storage circuit. When the input switch element 1 of the voltage circuit is switched off, the first and second input nodes I1And I2Potential difference between1-V2Results in being stored in the storage capacitor 2 of the voltage storage circuit at the moment of switching.
[0105]
Thereafter, the input isolation switch element 46 is also turned off and the feedback switch element 48 is turned on. As a result, the potential on the input side of the switch element ON is equal to the potential V of the upper plate of the storage capacitor 2 regardless of the next fluctuation of the potential of the first input node after the input switch element 1 is turned off.CIs held substantially constant.
[0106]
When the auxiliary capacitor 49 is between the input side of the input switch element 1 and the terminal COM of the voltage storage circuit, this auxiliary capacitor is turned off instead of or in addition to the feedback switch element 48. Later, the potential on the input side of the input switch element 1 is the potential V of the upper plate of the storage capacitor 2.CTo be fixed substantially constant.
[0107]
The holdability of the input side potential after the input switch element 1 is switched off is when the potential of the first input node changes sufficiently with respect to the off potential applied to the gate electrode of the input switch element 1. It is desirable to prevent the possibility of being switched on again.
At the same time or after the input isolation switch element 46 is turned off, the configuration of the selection switch element 47 is the third input node IThreeThe second input node I to the common terminal COM2Changed to connect instead of.
[0108]
As a result, the potential of the output terminal is the difference V V stored in the potential V3 of the third input node between the potentials of the first and second input nodes.1-V2Is substantially equal to the potential plus
VO= V1-V2+ VThree+ Verror
Where VerrorIs the stored potential difference V generated by the charge inflow by the input switch element 1 at the moment of turning off.1-V2This is an error voltage. As described above, when the ON potential applied to the input switch element 1 follows the potential of the input node, the error voltage VerrorIs substantially constant regardless of the potential applied to the circuit, so that this error voltage can be compensated in the desired simple state.
[0109]
By effectively removing the effects of parasitic capacitance in the voltage storage circuit, the potential of the lower plate of the storage capacitor does not affect the stored potential difference in an unpredictable manner, but the desired potential difference. It will be appreciated that it can be freely changed after storage. This allows a voltage storage circuit configured as already described in FIG. 1 to provide a particularly high accuracy for voltage summing applications.
[0110]
As a further excellent application of the voltage storage circuit of FIG. 1, FIG. 9 shows the first and second voltage storage circuits VSC.1And VSC2FIG. 2 shows a voltage doubler circuit 50, each of which is configured as already described in FIG.
Circuit 50 includes first and second input nodes I.1And I2And first and second output nodes O1And O2It is equipped with. The first controllable switch element 51 is a first voltage storage circuit VSC.1First input node I of1And input terminal IN1Connected between. The second controllable switch element 52 is a first voltage storage circuit VSC.1Second input node I of2And common terminal COM1Connected between.
[0111]
The third controllable switch element 53 is a second voltage storage circuit VSC2First input node I of1And common terminal COM2Connected between. The fourth controllable switch element 54 is a second voltage storage circuit VSC.2Second input node I of2And input terminal IN2Connected between.
The fifth controllable switch element 55 is a voltage storage circuit VSC.1And VSC2Each common terminal COM1, COM2Connected between.
[0112]
First and second voltage storage circuits VSC1And VSC2Each output terminal OUT1And OUT2Are the first and second output nodes O of the circuit 50.1And O2Is connected to each.
The circuit 50 receives the first control signal φ1To the switch elements 51 to 54 and the second control signal φ2Is further provided with control means 60 for applying to the switch element 55. The control means 60 is a voltage storage circuit VSC.1And VSC2In addition, the aforementioned switching signal CK used for controlling the switching of each switch element 1 of the voltage storage circuit is also applied. The switch elements 51 to 54 have a control signal φ1Is controlled to be on when the signal is active, and the switch element 55 is controlled by the control signal φ2ON condition is controlled when is active. Since the generation of the switching signal CK applied to each switch drive means 4, 5 of the voltage storage circuit is synchronized by the control means 60 to the switching of the control switch elements 51 to 55, the voltage storage circuit VSC.1And VSC2Each switch element 1 is held in the on condition when the switch elements 51 to 54 are initially in the on condition, but is turned off before these elements 51 to 54 are switched to the off condition.
[0113]
In the operation of the voltage doubler circuit of FIG.1Is actuated first, and the controllable switch elements 51 to 54 are first actuated to an on condition, at which time switch element 55 is turned off. Therefore, φ1Is activated, the switch elements 51 to 55 are connected to the input node I.1And I2Input voltage Vi between each input and voltage storage circuit VSC1And VSC2It becomes an input configuration that allows it to be added between each common terminal.
[0114]
During this input configuration, the switch elements 51 to 55 are connected to the voltage storage circuit VSC.1And VSC2Each switch element 1 is controlled by their associated switch drive means 4, 5 in the on condition. As a result, each storage capacitor 2 has an input voltage ViAre each charged. In this regard, the input voltage is the first voltage storage circuit VSC.1The second voltage storage circuit VSC2It is noted that the polarity is reversed.
[0115]
While the switch elements 51 to 54 are switched on, the control means 60 switches to each switch drive means 4, 5 of the voltage storage circuit to switch off each switch element 1 of the voltage storage circuit. Apply signal CK. As a result, t of switchingswitchInput voltage V at the momentisIs stored in each storage capacitor 2 of the voltage storage circuit.
[0116]
Thereafter, the control means 60 controls the control signal φ1Switch element 51-54 is switched off, and then the control signal φ2Switch element 55 is turned on. Under this condition, the switch elements 51 to 56 have an output configuration. In this output configuration, the voltage storage circuit VSC1And VSC2Each storage capacitor 2 is connected to a voltage storage circuit VSC.1And VSC2Are connected in series between the respective inputs of the amplifier elements 3. Since the amplifier elements 3 of these voltage storage circuits function only to regenerate the potential of their inputs at their respective outputs, the first and second output nodes O1And O2Output voltage V generated duringOIs the stored input voltage VisIe VO= 2VisIs substantially equal to twice.
[0117]
Therefore, the circuit 50 has a switching tswitchThe input voltage V applied at the moment ofiOutput voltage V that is substantially twiceOAct to give.
The circuit of FIG. 9 can eliminate the influence of the parasitic capacitance of the circuit, and can give a very high accuracy to the double voltage. This is because, in the voltage storage circuit having the above-described configuration, the parasitic capacitance that affects the applied input signal (that is, the capacitance of the input switch element 1, the capacitance of the input of the amplifier element 3, and the voltage). This is because the capacitance of any internal connection portion of the memory circuit can be bootstrapped. Considering the fact that a voltage storage circuit is conveniently formed in each well (to allow bootstrap of the parasitic capacitance of the internal connections of the voltage storage circuit), the voltage doubler circuit 50 is generally advantageous. Should be formed as an integrated circuit.
[0118]
It should be noted that this voltage doubler approach is fundamentally different from that used in conventional switched capacitor circuits used to implement voltage doublers. In these conventional circuits, circuit operation is such that all nodes of the circuit are driven by the amplifier (to prevent parasitic capacitance from being charged and affecting the amplifier output). Or insensitive to parasitic capacitance by ensuring that it is always returned to the same voltage at all clock phases (the “virtual ground” so that the actual charge does not flow into or out of the parasitic capacitance) It is designed to be. An example of the latter approach is given in European Patent Publication No. 214831 (EP-B-0214831).
[0119]
If the circuit is designed to be insensitive to parasitic capacitance, the problems caused by the parasitic capacitance are essentially eliminated, but removing the parasitic problem will memorize the input voltage. And leads to another problem associated with the unavoidable mismatch between the capacitors used to double, which prevents the desired high accuracy from being achieved.
[0120]
The problem is that, in the case of a conventional voltage doubler circuit based on a switched capacitor, the variation maintained during the operation of the voltage doubler is charged rather than the voltage of the circuit of FIG. 11 (transmitted from one capacitor to another). It occurs because it is.
Considering this problem in more detail, in order to double the voltage when the charge is maintained, a number 2C capacitor (or two in parallel, each number C two capacitors) is connected to the input voltage. It is charged and then all charges are transferred to one capacitor, number C, which may or may not be the first capacitor charged. Charge retention gives the following relational expression.
[0121]
2C ・ Vin= C ・ Vout
Vout= 2Vin
However, in the actual circuit, the output voltage VoutIs exactly the input voltage VinIt is recognized that this is due to a mismatch between the capacitance of each of the capacitors used to perform the double voltage operation. In this regard, the input voltage VinThe capacitance of each of the two capacitors charged in the1And C2And the capacitance C of the third capacitor that receives the combined charge stored in these two capacitorsThreeIs CThreeThus, retention of electric charge gives the following relational expression.
[0122]
                (C1+ C2) ・ Vin  = CThree・ Vout
Vout = [(C1+ C2) / CThree] Vin
Nominally random mismatches between the same capacitors are typically 0.1% (relatively easy to achieve on an integrated circuit) and 0.01% (extreme attention is divided and pinched on the unit, for example) Required for large capacitors). The capacitance mismatch error results in an equivalent error leading to a double voltage, and when the voltage doubler circuit is used in an analog to digital converter, for example, the linearity of the analog to digital converter is 10 And 13 bits will be limited by the error.
[0123]
Errors due to capacitance mismatch in the conventional charge propagation based on voltage doubler circuits can be eliminated using complex switching configurations. One conventional method is to use a capacitor C1Is charged to the input voltage and the charge is stored in the storage capacitor C2The charge C1Is recharged to the input voltage and then all charges are transferred to C1It has returned to. This results in an accurate double voltage of the input since the charge starts and ends with the same capacitor, but this method is more complex and slower (and more related to the clock phase), and also to the switching noise of the amplifier. It becomes more sensitive to it.
[0124]
Another conventional method includes an additional circuit that performs "auto calibration", i.e., measures and adjusts capacitor mismatch. The structure of this circuit, however, makes the circuit increasingly complex and slows down the speed of operation.
Furthermore, the conventional voltage doubler circuit that relies on charge propagation also effectively depends on the linearity of the capacitor, so doubling the charge on the capacitor inevitably doubles the voltage. Based on the capacitor's physical structure, the non-linearity of the capacitors used in these conventional voltage doublers will generally limit the linearity of the voltage doubler.
[0125]
In the case of the circuit of FIG. 9, on the other hand, the requirement for a highly linearly matched capacitor with high accuracy is eliminated. If two capacitors are charged in parallel and then connected in series, the input voltage can be reduced regardless of the capacitor's integrity and linearity if the effects of parasitic capacitance are eliminated to a satisfactory level. You can always double exactly.
[0126]
In the case of the circuit of FIG. 9, the switch drive means 4 and 5 of each voltage storage circuit ensure that the charge inflow of the switch element 1 is kept constant, so that the voltage storage circuit has all its parasitic capacitances amplified. If designed to be driven by the output of the element, the only constraint on linearity of operation is essentially the gain error of the amplifier element. This is due to the fact that the parasitic capacitance cannot be removed sufficiently effectively when the gain of the amplifier element of the voltage storage circuit is not exactly a unit value. Gain errors from this exact unity should therefore be minimized.
[0127]
In practice, this gain error can be set as small as required (depending on the desired accuracy of a particular voltage doubler application) (for optimal accuracy, a relatively complex amplifier element). Configuration is required). By using an appropriate amplifier element configuration, this achieves a linearity that is at least better than 1 ppm, and the actual characteristic constraints depend on the amplifier and random noise due to thermal (kT / C) noise Is meant to do. In the case of an analog to digital converter using the voltage doubler circuit, linearity is likely to be maintained beyond 20 bits.
[0128]
Eventually, the voltage storage circuit VSC1And VSC29 is used in the voltage doubler circuit 50 of FIG. 9 so that each amount of charge flowing in by the switch element 1 of the circuit is effectively removed at the moment of switching, The circuit will self-compensate.
One example of using a voltage doubler circuit 50 as illustrated in FIG. 9 will now be described with reference to FIG.
[0129]
FIG. 10 shows a portion of an analog to digital converter (ADC) that uses the voltage doubler circuit shown in FIG. The ADC of FIG. 10 is a “3-state logic” ADC.
The three-state logic ADC performs a series of voltage conversion operations, starting with an applied analog input voltage, each associated with a voltage doubler operation, and performs its analog-to-digital conversion. Digital data is each generated in the voltage conversion operation, and the digital data of the next conversion operation is combined to generate a digital output word indicating the applied analog input voltage.
[0130]
For each voltage conversion operation performed by a three-state logic ADC, the analog input voltage is set to a preset comparison potential V V in the first phase of the operation.r/ 4 (VrIs a preset reference potential) to generate one of the three digital data values shown in Table 1 below.
[0131]
[Table 1]
Figure 0003636736
[0132]
Next, in the second phase of operation, based on the digital data generated in the first phase, the input voltage ViAccording to the equation illustrated in Table 2 below.iAnalog conversion voltage V related toCIs converted to produce
[0133]
[Table 2]
Figure 0003636736
[0134]
In the next conversion operation, this analog conversion voltage VCIs used as an analog input voltage and converted voltage VCWill converge to zero in the next operation. Each subsequent conversion operation generates one “bit” of 3-state logic digital data (+1, 0, −1). The output word, expressed in normal binary (two-state) logic, is derived from all three-state bits in combination by appropriate digital logic, and the R.three-state bits are binary consisting of (R + 1) bits. A logic output word can be generated.
[0135]
For a detailed explanation of the operation of a traditional 3-state logic ADC, see “Fujitsu Fact: 3-state logic controls the CMOS cycle A / D converter used in the MB87020” by K. Gotoh and O. Kobayashi. And the aforementioned EP-B-0214831, both of which are referenced here.
The ADC of FIG. 10 includes N voltage conversion stages ST connected in series.1, ST2... STN, Each of which can perform the voltage conversion operation described above from Tables 1 and 2. The first two voltage conversion stages ST of the ADC1And ST2Only shown in FIG.
[0136]
Stage STiAre generally based on the voltage doubler circuit 50 'as already described with reference to FIG. 9, and the input node I of the voltage doubler circuit 50'.1And I2Gives the input node of the stage and the input node O of the voltage doubler circuit 50 '.1And O2Gives the output node of the stage as well.
Each stage STiHowever, instead of one switch element 55 of the circuit of FIG. 9, the voltage doubler circuit 50 'is replaced by two voltage storage circuits VSC of the circuit.1And VSC2Each common terminal COM1And COM29 is different from the voltage doubler circuit of FIG. 9 in that two controllable switch elements 55 and 56 and voltage adjusting means 58 are connected in series.
[0137]
Each stage STiIn this case, the switch elements 51 to 56 have the above-described input configuration (the switch elements 51 to 54 are on when the switch elements 55 and 56 are off) or the output configuration (the switch elements 51 to 54 are off when the switch elements 51 to 54 are off). 55 and 56 can be turned on).
As in the case of the voltage doubler circuit 50 in FIG.iSwitch elements 51 to 56 are connected to a control signal φ1And φ2Controlled by However, in the case of the ADC of FIG. 10, the control means 60 'common to all the stages is provided for generating the first and second control signals of each stage, and φ1Is active, the odd-numbered stages ST of the switch elements 51 to 561, STThree, STFiveAre held in the input configuration, but the even-numbered stages ST of the switch elements 51 to 562, STFour, ST6... is held in the output configuration, and φ2The reverse occurs when is active.
[0138]
Each voltage conversion stage STiIs the input voltage V applied to the stageiFirst and second input nodes I of the stage to receive1And I2And the aforementioned comparison potential VrThe comparison means 70 connected to receive / 4 is mounted. Comparison means 70 provides three-state logic digital data a (+1, 0, -1) at its output and operates according to Table 2 above as the digital output of the stage. Each stage of digital data is applied to data processing means 80 for processing to generate a digital output word. The digital data a is also applied to voltage adjusting means 58 that controls the operation.
[0139]
The voltage adjusting means is configured such that when the switch elements 55 and 56 are on, each common terminal COM of the voltage storage circuit of the stage1And COM2Between one of three different possible voltages, the selected offset voltage V depending on the digital data generated by the comparison meansOSActuate to add. a = + 1 case (Vr/ 4 ≦ ViThe selected offset voltage is VOS= -Vrbecome. a = 0 (−Vr/ 4 ≦ Vi<Vr/ 4), the selected offset voltage is VOS= 0. a = −1 (Vi<-Vr/ 4), the selected offset voltage is VOS= + Vrbecome.
[0140]
In the operation of the ADC shown in FIG. 10, the analog input voltage V to be digitizedi1Is the first voltage comparison stage STiFirst and second input nodes I of1And I2Added during. First, the control means 60 '1The first voltage conversion stage STiIs held in the input configuration (the switch elements 51 to 54 are on). In this configuration, switch elements 55 and 56 are both held off so that voltage regulator 58 is isolated from the rest of the circuit.
[0141]
φ1During the first stage STiThe comparing means 70 of the input voltage ViAnd comparison potential Vr/ 4 is compared, and 3-state logic digital data is generated based on the result of the comparison.
φ1Prior to the end of the period when is active, the switching signal CK is sent to the first stage ST by the control means 60 '.iAre applied to each of the switch driving means 4 and 5, and the stage STiVoltage storage circuit VSC1And VSC2Each switch element 1 of the first stage ST is switched off.iInput voltage Vi1Is stored in each of the storage capacitors 2 of each of these circuits.
[0142]
Next, the control means 60 '1Turn off the operation of φ21st stage STiSwitch to output configuration. In this configuration, the stage switch elements 51 to 54 are in an off condition, and the stage switch elements 55 and 56 are in an on condition. The voltage adjusting means 58 is therefore a voltage storage circuit VSC.1And VSC2Are connected in series between the storage capacitors 2, so that the selected offset voltage VOS(Based on digital data a -Vr, 0, + Vr) Is the voltage storage circuit VSC1And VSC2Each common terminal COM1And COM2Added during. Therefore, analog conversion voltage VCThe voltage storage circuit VSC depends on the voltage adjusting means 58.1And VSC2Each common terminal COM1And COM2Selected offset voltage V applied duringOSThe input voltage V stored according toi1(Ie, VC1= 2Vi1+ VOS) Stage STiFirst and second output nodes O of1And O2Generated during
[0143]
Therefore, according to Table 2 described above, the voltage conversion stage STiThe conversion voltage V generated byC1Is Vi1And comparison potential Vr2V based on the result of the comparison between / 4i1-Vr2Vi1Or 2Vi1+ VrCan be.
As shown in FIG. 10, since the voltage conversion stage of the ADC is connected in series, the second voltage conversion stage ST2 Is the input voltage Vi2As a first voltage conversion stage STiThe analog conversion voltage V generated byC1Receive. As described above, the second stage ST2Switch elements 51 to 56 of the first stage STiWhen the switch elements 51 to 56 are in the output configuration,2Is controlled so that the second stage ST2Is the first stage STiThe comparison voltage V generated byC1The comparison operation can be started without delay. Second stage ST2The switching signal CK of the switch driving means 4 to 5 is (φ1The first conversion stage ST as in the case of the switch drive means 4, 5 while is activeiRather) φ2Is generated while active, so the first stage STiAnalog conversion voltage VC1Is the second stage ST2Is remembered. φ2After the end of the cycle when is active, φ1Becomes active again, the second stage ST2Switch to output configuration. Therefore, the analog conversion voltage VC2The analog conversion voltage V of the previous (first) stageC1Generate based on
[0144]
Analog conversion voltage VC2Is the next stage STThree And in turn (φ1The analog conversion voltage VC3Is converted to The next voltage conversion operation is therefore the control signal φ1And φ2Each of the operations is performed with a “swap”. Control signal φ1And φ2Each has an active period t1 And t2Constitutes the first and second clock phases of the converter, the second phase starting after the end of the first clock phase of each next clock period of the converter.
[0145]
First stage STiIs the second stage ST2Is switched to the output configuration (the analog conversion voltage V just given by the first stage VC1The analog conversion voltage VCSwitch back to the input configuration (to convert to 2), so the new analog input voltage is φ1Can be received by the converter each time it is activated again. In this way, the ADC can generate a new conversion result (a digital output word based on N three-state bits) in every clock period.
[0146]
It is not an indispensable element for the comparison means 70 of a given stage to directly compare the applied input voltage of the stage and the comparison potential. The comparison seems to be made on the one hand between the comparator potential and, on the other hand, the input voltage stored in the voltage storage circuit, or the initial analog conversion voltage given by the stage before the comparison. (The analog conversion voltage is corrected there).
[0147]
Instead of the N stages used in FIG. 10, it would be possible to use just two voltage conversion stages, each of which alternately extracts the other outputs and operates repeatedly. This configuration would use one clock period (ie, two clock phases) to generate all two bits of the three-state logic digital data. Thus, to perform N-bit conversion, the configuration will take N / 2 clock periods, which is much slower than a converter using N stages. The required circuit size will however be smaller.
[0148]
In different aspects of the invention, it is also possible to create a three-state logic ADC having only one voltage conversion stage that operates repeatedly. However, in this case, as described below with reference to FIG. 11, the voltage conversion stage is the conversion stage ST of the ADC of FIG.iIt is necessary to have a voltage storage circuit having a configuration different from that of the voltage storage circuit in FIG.
[0149]
In FIG. 11, the voltage conversion stage 90 used in the three-state logic ADC is the first and second input nodes I of the voltage conversion stage 90.1 And I2First and second modified voltage storage circuits VSC respectively connected to1'And VSC2'.
Each modified voltage storage circuit includes the input switch element 1, the single gain amplifier element 3, and the bootstrap switch driving means 4 and 5 described above with reference to FIGS. However, each modified voltage storage circuit has a first modified voltage storage circuit VSC instead of one capacitor 2 in the voltage storage circuit of FIG.1In the case of ′, C1And CThreeThe two capacitors labeled with the second modified voltage storage circuit VSC2In the case of ′, C2And CFourWith two capacitors. Condenser C1To CFourAre usually the same capacitance, but this is not essential for the correct operation of the voltage conversion stage 90.
[0150]
Each deformation voltage storage circuit further includes several switch elements 91 to 106, and a capacitor C1To CFourThere are four switch elements associated with each. That is, the switch elements 91, 92, 95 and 96 are capacitors C1, Switch elements 101, 102, 105 and 106 are capacitors C2, Switch elements 93, 94, 97 and 98 are capacitors CThree, Switch elements 99, 100, 103 and 104 are capacitors CFourRelated to.
[0151]
The switch elements 91 to 106 are connected to a control signal φ generated by the bootstrap switch driving means, as will be described in more detail below.1And φ2Depending on the state, it is turned on and off.
Each voltage storage circuit VSC1'And VSC2′ In relation to the input switch element 1 and the associated input node I of the voltage conversion stage 90.1Or I2Between the input isolation switch element 46 connected in series with the input switch element and between the output node of the modified voltage storage circuit (of the output terminal of the amplifier element 3) and the input side of the input switch element 1 There is a feedback switch element 48 provided. The input separation switch element 46 and the feedback switch element 48 correspond to the switch elements having the same names and reference numbers in the voltage adding circuit of FIG. 8 and perform the same functions. The feedback switch element 48 can be replaced with a resistor anyway.
[0152]
The voltage adjustment means 58 is substantially similar to the voltage adjustment means 58 of FIG. 10, and the first and second modified voltage storage circuits VSC.1'And VSC2Connected between '. Further, the comparator means 70 is similar to the comparator means of each voltage conversion stage STi of FIG. 10, and is connected between the output nodes of the modified voltage storage circuit.
The voltage adjusting means 58 has a plurality of additional switch elements 581 to 588. Six switch elements 582 to 584 and 586 to 588 are each paired with three-state data “bits” a generated by the comparator means.iIt is activated according to the logic level. In this case, ai= −1, the switch elements 582 and 586 are activated, resulting in an offset voltage V generated between the output terminals of the voltage regulator 58.OSBecomes equal to a predetermined reference voltage + Vr. aiWhen = 0, the switch elements 583 and 587 are activated and the offset voltage VOSBecomes zero. ai== + 1, the switch elements 584 and 588 are activated and the offset voltage VOSIs equal to -Vr.
[0153]
Second and first input nodes I of stage 902And I1The activation of the other two switch elements 581 and 585 connected to each of the voltage adjusting means 58 will be described below.
The control means 61 is substantially similar to the control means 60 'of FIG.1MAnd φ2MAs well as each master control signal SAMMAnd CONMAlso generate. Master control signal φ1M, Φ2MAnd SAMMIs applied to the bootstrap switch driving means 4 and 5 of each deformation voltage memory circuit. The bootstrap switch driving means of each deformed voltage storage circuit has a master control signal φ1M, Φ2MAnd SAMMThe bootstrap control signal φ applied to the switch element of the deformed voltage storage circuit corresponding to1, Φ2And SAMPLE. The potential of the bootstrap control signal follows the output terminal potential of the amplifier element 3 of the modified voltage storage circuit. The control signal CONVERT used to activate the feedback switch element 48 associated with the modified voltage storage circuit is the master control signal CONMMay be a bootstrap control signal derived from the master control signal CON since it is not fundamental as a signal applied to the feedback switch element 48 to be bootstrapped.MCan also be given directly.
[0154]
When the conversion operation by the voltage conversion stage 90 in FIG. 11 is started, the analog input voltage converted into an equivalent digital signal is the first and second input nodes I of the voltage conversion stage 90.1And I2Applied between In order to facilitate the sampling of the applied analog voltage, the control means 61 includes an input node I in each modified voltage storage circuit.1And I2Is activated via the switch elements 1 and 46 to the respective inputs of the amplifying element 3 of the deformed voltage storage circuit, the master control signal SAM for activating the bootstrap control signal SAMPLE.MIs generated. At this time, the CONVERT control signal is deactivated and the feedback switch element 48 is in the OFF state.
[0155]
The switch elements 581 and 585 of the voltage adjusting means 58 are also activated by the control signal SAMPLE, and the output terminal potential of the voltage adjusting means is the second and first input nodes I, respectively.2And I1Is equal to the potential. At this time, the other switch elements 582 to 584 and 586 to 588 are held in the OFF state.
Control signal φ during input voltage sampling1Is active, the switch elements 91, 95, 101 and 105 are in the on state, and the first modified voltage storage circuit VSC1Capacitor C in ′1The upper plate is the first input node I1And the lower plate is connected to the second input node I2Connected to. Similarly, the second deformed voltage storage circuit VSC2′ Indicates that the upper plate is connected to the second input node I2And the lower plate is connected to the first input node I1Connected to. Therefore, each capacitor C1And C2Stores the applied analog input voltage so as to sample the applied analog input voltage.
[0156]
Control signal φ1Switch element 94, 98, 100 and 104 are in the on state while capacitor C is active.ThreeAnd CFourAre alternately connected in parallel between the output terminals of the amplifier element 3. Since the amplifier element has a single gain, the sampled analog input voltage is φ1Each capacitor C duringThreeAnd CFourIs also remembered.
[0157]
Next, the SAMPLE control signal is deactivated to finish sampling the input voltage, and the control signal φ1Remains activated.
After the SAMPLE control signal is deactivated, the CONVERT control signal is activated for the remainder of the conversion operation. Since the input and output terminal potentials of the unity gain amplifier element 3 are always equal, the input side and output side terminals of the input switch element 1 are held at the same potential, and the element 1 is associated with the associated input node I.1Or I2Regardless of the accompanying change in the potential, the off state is stably maintained.
[0158]
Condenser CThreeAnd CFourThe sampled input voltage held by the comparator means 70 is compared with a predetermined comparison potential V by the comparator means 70 in the same manner as in the ADC of FIG.rCompared with / 4. First bit a of 3-state logical digital data (+1, 0, -1)1 Is generated based on the comparison result by the comparator means 70 (see Table 1).
[0159]
First data bit a1Is obtained, each pair of switch elements 582 to 584 and 586 to 588 of the voltage adjusting means 58 is connected to the first data bit a.1Activated according to In this way, the voltage adjusting means 58 is connected to the predetermined offset voltage V between the output terminals.OS(Digital data bit a1-V corresponding tor, 0, + Vr). Control signal φ1Is still activated, switch elements 91, 95, 101, and 105 are all kept in the on state, and there is a first column connection between each input terminal of switch element 3. Become. This first row is the capacitor C1, Voltage adjusting means 58 and capacitor C2Configure. Thus, the voltage between each input terminal of the amplifier element 3 is the capacitor C1And C2To the sampled analog input voltage stored in the first data bit a1Offset voltage V selected byOSThe first conversion voltage V equal to twice the sum ofC1It is. Thus, the voltage conversion operation is performed according to Table 2.
[0160]
The input terminal potential of the amplifier element 3 is buffered by the amplifier element 3 and the first conversion voltage VC1Is regenerated between each output terminal of the amplifier element 3.
The switch elements 94, 98, 100 and 104 all remain in the on state and the capacitor CThreeAnd CFourAre connected in parallel to each other between the output terminals of the amplifier element 3, each of which is connected to a first conversion voltage VC1Remember.
[0161]
First conversion voltage VC1The reference potential V isr/ 4 and the second data bit a2Is generated according to the comparison result.
Next, the control means controls the control signal φ1Is deactivated and the control signal φ2Activate. At the same time, the second data bit a2Is applied to the voltage adjusting means, and this data bit a2Depending on the new offset voltage VOSIs selected. Control signal φ2Is activated, the switch elements 93, 97, 99 and 103 are turned on. As a result, capacitor CThreeAnd CFourAre connected in series to the voltage regulating means 58, and between each input terminal of the amplifier element 3, a second column connection (CThree -VOS-CFour) And the first column connection (C1 -VOS-C2). Thus, the resulting new conversion voltage V generated between each output terminal of the amplifier element 3C2Is the first conversion voltage VC1Newly selected offset voltage VOSIs equal to twice the value plus Control signal φ2, The switch elements 92, 96, 102 and 106 are turned on, and this new conversion voltage VC2Is a capacitor C connected in parallel between the output terminals of the amplifier element 31And C2Is remembered.
[0162]
New conversion voltage VC2Is the reference potential V by the comparator means 70.R/ 4 and the next data bit aThreeIs generated. Next, the control signal φ2Is deactivated and the control signal φ1Is activated, and data bit aThreeIs applied to the voltage adjusting means, and a new offset voltage VOSIs selected. Control signal φ1Is activated so that the first column connection (C1 -VOS-C2) Is the second column connection (CThree -VOS-CFour), Capacitor CThreeAnd CFourIs the resulting new conversion voltage VC3Remember.
[0163]
After that, the control signal φ1And φ2Are activated alternately and a new data bit aiAnd a new conversion voltage is generated during each successive control signal phase.
As described with reference to FIG. 10, the data bit aiAre applied to ADC data processing means 80 (not shown) and processed to produce a digital output word representing the originally applied analog voltage. It can be seen that the voltage conversion stage of FIG. 11 requires N clock phases to generate a digital output word based on N 3-state bits.
[0164]
In each amplifier element 3, since the input terminal potential is equal to the output terminal potential, the control signal φ1Or φ2Is activated, the first modified voltage storage circuit VSC1'Switch elements 1, 48, 91, 92, 93 and 94, and a second modified voltage storage circuit VSC2It is understood that each switch element of the corresponding switch element 1, 48, 103, 104, 105 and 106 'has no voltage across the two terminals.
[0165]
The switch elements 91 to 94 and 103 to 106 connected to the upper plate of the capacitor can be switched without overlap (ie, switched without delay after switch off. For example, before the switch element 92 is turned on. The switch element 92 is turned off.) This is because the four nodes to which these switch elements are connected (the input terminal of the amplifier element, the output terminal of the amplifier element, and the upper plate of each of the two capacitors) are before and after switching (ie, each control Signal phase is φ1To φ2This is because they have the same voltage. Since the switches 91 to 94 and 103 to 106 related to the upper plate are switched without overlapping, the generation of the control signal is simplified.
[0166]
Here, the switches 95 to 102 connected to the lower plate of the capacitor are predetermined after switching of the switch elements 91 to 94 and 103 to 106 connected to the upper plate of the capacitor in order to avoid the charge injection effect. It is important to be able to switch in a short time. This predetermined short time is minimized in view of the fact that the input terminal of each amplifier element 3 is effectively combined with the output terminal of the other amplifier element 3 during this time, resulting in positive feedback. The effect of this positive feedback is less important when the amplifier element has unity gain, but avoids voltage conversion stage 90 being in this state for longer than absolutely necessary to be in this state. Is desirable. Thereby, the switch elements 91 to 94 and 103 to 106 connected to the upper plate are set, and at the same time, the switch elements 95 to 102 connected to the lower plate are switched.
[0167]
First deformed voltage storage circuit VSC1Is preferably formed in one or more wells of conductivity opposite to that of the material covering the substrate, the potential of that well or each well being the output of the amplifier element 3 of the first modified voltage storage circuit. Fixed with respect to terminal potential. The same is true for the VSC of the second modified voltage memory circuit.2This also applies to the switch elements 1 and 103 to 106 '. This arrangement of switch elements makes it possible to bootstrap the parasitic capacitance of the modified voltage storage circuit in the same basic manner as already described in connection with the voltage storage circuit of FIGS. Become.
[0168]
In the voltage conversion stage of FIG. 12, the first voltage conversion operation samples the analog input voltage during the first clock phase, and this sampling ends immediately. This speeds up the conversion operation, but during sampling the capacitor C1And C2It is necessary to provide another switch element (elements 581 and 585 shown integrally with the voltage regulating means 58) for charging the lower plate of the lower plate to the input node potential. With the exception of these switch elements 581 and 585, at the first clock phase (a1It is also possible to perform a comparison operation, and the first voltage conversion operation is performed at the next clock phase.
[0169]
The voltage conversion stage already described with reference to FIG. 10 or 11 can be applied to other analog-to-digital converters requiring double voltage and offset operation, with appropriate modifications.
In order to minimize power consumption in an ADC having a series of voltage conversion stages already described with reference to FIG. 10, it is advantageous to have a “scaled” continuous stage. This point will be described in more detail with reference to FIG.
[0170]
FIG. 12 schematically depicts the first three stages of the ADC illustrated in FIG. The first stage storage capacitors 2 each have a capacitance C, the transistors of the amplifier element 3 each have a channel width W, and the current flowing through each of these transistors of the amplifier element 3 is I.
In the second stage, each of the storage capacitors 2 has a capacitance of KC, where 1 / k is a preset scaling factor (k <1), and the transistors of the amplifier element 3 each have a width. kW, and the current flowing through each transistor is kI. Similarly, in the third stage, the capacitance is k2C, transistor channel width is k2W, transistor current is k2I.
[0171]
Thus, each next stage is scaled as long as at least these three parameters are related by a scaling factor 1 / k. As a result, the total current consumed in the device, expressed in terms of the current consumed in the first stage, is 1 + k + k2+ KThree+ ...
Each stage has 1 / k noise power at its input, but for the ADC input terminal, this is reduced by the gain product of the previous stage. For example, the noise power of the second stage = 1 / k, the voltage gain of the previous stage (in this case, the voltage gain of the first stage) = 2, so the noise power is 1 / k with respect to the input noise power. .
[0172]
Therefore, the total noise power of the inputs of all stages is 1 + 1 / 4k + 1 / 16k2+ 1 / 64kThree+. For example, when k = 1/2, the total noise = 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 +.
Similarly, if k = 1/2 is substituted into the above-described total current equation, the total current = 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 +.
[0173]
If the total power is constant, all sizes must be divided according to the result of the power addition, ie, the input noise is multiplied by the same factor and is expressed as:
[0174]
[Expression 1]
Figure 0003636736
[0175]
Input noise is minimized when m = 1, ie, k = 1/2.
From the above analysis, it is clear that the optimal scaling factor for the minimum total power consumption of the ADC is 2. This provides a minimum noise level to a given power consumption or a minimum power consumption level to a given noise level. Thus, each stage is substantially half the size of the previous stage. In this case, the total power consumption is equal to twice the power consumption of the first stage, and the total noise power is equal to twice the noise power of the first stage.
[0176]
FIG. 13 shows how the total current and noise have a scaling factor 1 / k in the case of a 16-stage ADC. As shown in FIG. 13, the minimum noise for a given power consumption and the minimum power consumption for a given noise level each appear when the scaling factor 1 / k = 2.
The above analysis shows that the conversion stage scaling applies to all stages of the ADC, but in fact, if the stage scaling is a 16 stage sequence (17 bit ADC), this is the last stage Is 1/2 the size of the first stage16This means that it was 1/65536 times, so we cannot continue to the final stage.
[0177]
In a particular stage of the series, when the stage size is reasonably small, all the next stages are made the same size, i.e. this makes the noise a little bit but does not require a wide range of sizes It means that.
For example, if scaling stops after 6 stages, the minimum stage size (used for the 6th and all subsequent stages) will be 1/32 of the size of the first stage. In this case, the total power = 1 + 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + 1/32 + 1/32 + 1/32 +...
[0178]
Once the minimum stage size is selected, the stage of that size is designed as a “unit” stage that can be paralleled (or “stretched” in the layout) to form the maximum stage. Can do. For example, when the unit stage has a size of 1/32 with respect to the first stage, the first stage = 32 parallel units, the second stage = 16 parallel units, and the third stage = 8 parallel units.
[0179]
One possible layout for an ADC chip using a 1/32 size unit stage is illustrated in FIG.
Table 3 is a table showing the optimal scaling factor 1 / k for a given minimum size stage, with the optimal scaling factor for the different minimum stages in the 15-stage ADC (16 bit) case. As is apparent from Table 3, the optimal scaling factor is very close to 2.
[0180]
[Table 3]
Figure 0003636736
[0181]
Compared to the optimal noise power value of 4.0 when scaling is not stopped, the minimum stage size of 1/32 results in an overall power increase or noise increase of about 10% or 0.46 dB. A minimum stage size of 16 results in increasing power or noise by about 25% or 0.99 dB. These two minimum stage sizes appear to be a preferred measure.
[0182]
Scaling as described above can be effectively applied to any suitable type of analog to digital converter having a string of voltage conversion stages in another aspect of the invention. For example, it may be possible to apply scaling to the voltage conversion circuit described in the above-mentioned EP-B-0214831, in the case where a plurality of stages described in the document are connected in series.
[0183]
The current consumed by the ADC of FIG. 10 is directly proportional to the capacitance of the storage capacitor 2 and inversely proportional to the conversion rate. This means that the power is increased even for high resolution and high conversion rate. However, it is estimated that the 16-bit 10Ms / s converter consumes less than 0.5W. This suggests that when the conversion rate is lowered to 1 Ms / s, the power is reduced to 5 mW at 50 mW or 100 ks / s.
[0184]
For low resolution (eg, 12 bits), power and area decrease sharply because the capacitance is very small. A 12-bit 50 Ms / s converter is estimated to consume 200 mW, including the power consumption of the digital logic required to process the digital data provided by the different conversion stages.
This shows a well-balanced power / speed balance compared to conventional converters. One main reason is that each stage in the series can be half the size and power of the previous stage, giving a total converter power that is approximately twice that of the first stage. This provides a significant reduction in chip size, and the 16-bit Ms / s converter is 10mm with proper processing.2It is estimated that it occupies a smaller area.
[0185]
In addition to the voltage doubler circuit and the comparison means, the ADC digital logic circuit of the N-bit output word is (N-1)2D-type flip-flops and (N-1) full adders are installed, and all clocks are clocked at the conversion rate. For 16-bit resolution, this gives a base cell count of about 2000 and about 25% of the estimated analog power consumption at 16-bit resolution at 5V and 10 MHz (for 15-bit resolution, the analog power consumption is 4 will be reduced by a factor of 4).
[0186]
As described above, the gain of each amplifier element 3 of the voltage conversion stage of the ADC is completely a unit value. Otherwise, apart from directing the gain error to the propagation function, further gain error results because the parasitic capacitance is not completely bootstrapped. Non-linearity caused by these errors is caused by the reference voltage V used in each stage.rIt can be corrected by adjusting a little with the stage of the row. For example, to correct for a 0.1% gain error, VrMay be reduced by 0.1% for each subsequent stage.
[0187]
Alternatively or additionally, the digital data processing means 80 that receives the digital data from each stage can arbitrarily correct the voltage conversion error of the analog circuit by functionally adjusting the digital data of the next stage. Can be implemented.
In order to generate an ADC capable of high speed operation, it is a basic condition that the operation of the switch element and the amplifier element of the stage is sufficiently high speed. The unity gain amplifier element 3 can be designed much faster than a normal operational amplifier, and the SPICE simulation has a stable time of 50 ns (corresponding to a conversion rate of 10 Ms / s) with appropriate processing. It was shown that it specifically corresponds to the precision of 16 bits. Using a depletion mode NMOS buffer and at the expense of some resolution, a 10 ns stabilization time is possible for 12-bit accuracy. This suggests that an ADC based on the design of FIG. 10 can be used for applications such as HDTV.
[0188]
Circuit noise is not a significant problem in the ADC of FIG. 10, because the noise due to the amplifier element is effectively reduced by the analog input voltage double before it reaches the amplifier element. Because. It is contemplated that amplifier elements can be designed so that they are associated with less noise than kT / C noise. This kT / C noise is caused by thermal noise that limits the accuracy of the voltage samples provided and stored in the arbitrarily switched capacitor circuit, and prevents the use of very small capacitors. For a 16-bit signal to noise ratio, it is estimated that a storage capacitor of at least 10 pF is required for the next stage and is reduced in half in each subsequent stage.
[0189]
For best performance, the ADC of FIG. 10 is advantageously produced by a p-well (n-substrate) CMOS process, preferably using a depletion mode device.
Obtaining a sufficiently large voltage swing is difficult even with a single 5V power supply (small voltage swing means that low noise levels are required for circuits forming different stages), and this The problem becomes more difficult with low supply voltages such as 3.3V.
[0190]
However, ADC devices are not fully applied to the supply voltage because they are connected in series. That is, only the source / drain diode is applied to the high voltage, but even this is not as large as the supply voltage. The maximum voltage (5V) is generated at the junction of the well substrate. From this point of view, ± 3V (or ± 3.3V) positive and negative power supplies are used with digital circuits (minimum geometry) operating in the range of 0V to + 3V and analog circuits using ± 3V It seems desirable. This positive and negative power supply approach also has the great advantage that it can be DC coupled because the input signal can swing to either side of 0V. Digital power consumption is also reduced as the effective digital logic supply voltage is reduced, and this is likely to provide a sufficient reduction in total power consumption.
[0191]
Smaller geometry can allow an increase in the maximum clock frequency even when this is not limited by analog power consumption. The main advantage of the split power supply is therefore the increased digital speed and the reduced power consumption, which would increase the maximum speed of operation of the ADC.
[0192]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the current between the capacitor and the amplifier element generated due to the stray capacitance of the amplifier element is reduced, the voltage fluctuation caused by the electric charge accumulated in the capacitor is reduced, and the accuracy of the voltage storage circuit is improved. To do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a circuit diagram of a voltage storage circuit that specifically implements the present invention.
FIG. 2 shows an example design of an amplifier element mounted on the circuit of FIG.
FIG. 3 shows another example design of an amplifier element used in the circuit of FIG.
4 shows in more detail the input switch element mounted on the circuit of FIG.
FIG. 5 shows another design of the amplifier element with the case of switch drive means used in the circuit of FIG.
6A and 6B are diagrams showing one possible layout of the circuit of FIG. 1 on an integrated circuit substrate, where FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a cross-sectional view.
7A and 7B are diagrams showing another example of a possible layout of the circuit of FIG. 1 on an integrated circuit substrate, where FIG. 7A is a plan view and FIG. 7B is a cross-sectional view.
FIG. 8 shows a circuit diagram of a voltage adder circuit using the voltage storage circuit shown in FIG.
FIG. 9 shows a circuit diagram of a voltage doubler circuit using the two voltage storage circuits shown in FIG.
FIG. 10 shows a circuit diagram of a part of an analog-to-digital converter comprising a plurality of conversion stages, each based on the voltage doubler circuit of FIG.
FIG. 11 is a partial circuit diagram of the analog-to-digital converter of the second aspect of the present invention described above having a single conversion stage.
12 is a schematic diagram of the components of the converter of FIG. 10 showing the advantages of scaling the stage from one value to the next in the converter of FIG. 10 according to a scaling factor.
FIG. 13 shows the relationship between the total power consumption of the converter and the scaling factor, and the total noise amount of the converter and the scaling factor in the case of the converter shown in FIG. 10 with 16 stages. It is a graph which shows a relationship.
14 is a schematic diagram illustrating one example of the layout of the converter of FIG. 10 with respect to a chip.
FIG. 15 shows a circuit diagram of a conventional voltage storage circuit.
16 shows in more detail an amplifier element mounted on the conventional circuit of FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... Switch element
2. Memory capacitor
3 ... Amplifier element
4 ... Potential generation circuit (switch drive means)
5 ... Selector circuit (switch drive means)
31… Cascade source follower
32 ... Current source
33 ... Input transistor
34 Cascade transistor
35 ... Bias generator
44… Bootstrap capacitor

Claims (42)

一つの基板上に形成された電圧記憶回路であって、A voltage storage circuit formed on one substrate,
前記電圧記憶回路の入力ターミナルに入力スイッチエレメントを介して接続された第1プレートと、前記電圧記憶回路の共通ターミナルに接続された第2プレートとを有し、前記電圧記憶回路が作動中に前記入力ターミナルと前記共通ターミナル間の電圧を蓄える記憶コンデンサーと、  A first plate connected to an input terminal of the voltage storage circuit via an input switch element; and a second plate connected to a common terminal of the voltage storage circuit, and when the voltage storage circuit is in operation A storage capacitor for storing a voltage between the input terminal and the common terminal;
前記第1プレートに接続された入力と、前記電圧記憶回路の出力ターミナルに接続された出力を有し、前記記憶コンデンサーに蓄えられた電圧に基づいて出力信号を出す増幅器エレメントとを備え、  An input connected to the first plate; and an amplifier element having an output connected to an output terminal of the voltage storage circuit and outputting an output signal based on a voltage stored in the storage capacitor;
前記増幅器エレメントは、前記第1プレートに接続されたゲート電極を有したFET入力トランジスタと、  The amplifier element includes a FET input transistor having a gate electrode connected to the first plate;
前記FET入力トランジスタのソース電極に接続された電流ソースと、  A current source connected to the source electrode of the FET input transistor;
前記FET入力トランジスタのドレイン電極に直列に接続されるカスケードFETトランジスタと、  A cascade FET transistor connected in series to the drain electrode of the FET input transistor;
前記FET入力トランジスタのソース電極と前記カスケードFETトランジスタのゲート電極との間に接続され、該電極間の電位差を実質的に一定に維持するバイアス生成器とを含み、  A bias generator connected between a source electrode of the FET input transistor and a gate electrode of the cascade FET transistor and maintaining a potential difference between the electrodes substantially constant;
前記入力スイッチエレメントと前記FET入力トランジスタは、基板周囲の導電型と逆の導電型であるウェル内に配置され、前記ウェルは回路動作中に第1プレートの電位に追従する電位に保たれる電圧記憶回路。  The input switch element and the FET input transistor are disposed in a well having a conductivity type opposite to the conductivity type around the substrate, and the well is maintained at a potential that follows the potential of the first plate during circuit operation. Memory circuit.
前記入力スイッチエレメントのスイッチング電極の電位を変化させ、オン状態とオフ状態を切り換える信号を出力するスイッチ駆動手段を更に備える請求項1に記載の電圧記憶回路。2. The voltage storage circuit according to claim 1, further comprising switch drive means for changing a potential of a switching electrode of the input switch element to output a signal for switching between an on state and an off state. 前記入力ターミナルと前記入力スイッチエレメントの入力側の間に挿入されていて、入力スイッチエレメントの入力側の電位を、前記入力スイッチエレメントがオフ状態に変えられた後に、記憶コンデンサーの前記第1プレートの電位に対して実質的に固定して保持するための入力電位保持手段を更に備える請求項2に記載の電圧記憶回路。  Inserted between the input terminal and the input side of the input switch element, the potential of the input side of the input switch element is changed to the OFF state of the first plate of the storage capacitor after the input switch element is turned off. The voltage storage circuit according to claim 2, further comprising input potential holding means for holding the potential substantially fixed. 電圧記憶回路であって、A voltage memory circuit,
前記電圧記憶回路の入力ターミナルに入力スイッチエレメントを介して接続された第1プレートと、前記電圧記憶回路の共通ターミナルに接続された第2プレートとを有し、前記電圧記憶回路が作動中に前記入力ターミナルと前記共通ターミナル間の電圧を蓄える記憶コンデンサーと、  A first plate connected to an input terminal of the voltage storage circuit via an input switch element; and a second plate connected to a common terminal of the voltage storage circuit, and when the voltage storage circuit is in operation A storage capacitor for storing a voltage between the input terminal and the common terminal;
前記入力スイッチエレメントのスイッチング電極の電位を変化させ、オン状態とオフ状態を切り換える信号を出力するスイッチ駆動手段と、  Switch driving means for changing a potential of the switching electrode of the input switch element and outputting a signal for switching between an on state and an off state;
前記入力ターミナルと前記入力スイッチエレメントの入力側の間に挿入されていて、入力スイッチエレメントの入力側の電位を、前記入力スイッチエレメントがオフ状態に変えられた後に、記憶コンデンサーの前記第1プレートの電位に対して実質的に固定して保持するための入力電位保持手段と、  Inserted between the input terminal and the input side of the input switch element, the potential of the input side of the input switch element is changed to the OFF state of the first plate of the storage capacitor after the input switch element is turned off. Input potential holding means for holding substantially fixed with respect to the potential;
前記第1プレートに接続された入力と、前記電圧記憶回路の出力ターミナルに接続された出力を有し、前記記憶コンデンサーに蓄えられた電圧に基づいて出力信号を出す増幅器エレメントとを備え、  An input connected to the first plate; and an amplifier element having an output connected to an output terminal of the voltage storage circuit and outputting an output signal based on a voltage stored in the storage capacitor;
前記増幅器エレメントは、前記第1プレートに接続されたゲート電極を有したFET入力トランジスタと、  The amplifier element includes a FET input transistor having a gate electrode connected to the first plate;
前記FET入力トランジスタのソース電極に接続された電流ソースと、  A current source connected to the source electrode of the FET input transistor;
前記FET入力トランジスタのドレイン電極に直列に接続されるカスケードFETトランジスタと、  A cascade FET transistor connected in series to the drain electrode of the FET input transistor;
前記FET入力トランジスタのソース電極と前記カスケードFETトランジスタのゲート電極との間に接続され、該電極間の電位差を実質的に一定に維持するバイアス生成器とを含む電圧記憶回路。  A voltage storage circuit including a bias generator connected between a source electrode of the FET input transistor and a gate electrode of the cascade FET transistor and maintaining a potential difference between the electrodes substantially constant.
一つの基板の上に形成されていて、前記入力スイッチエレメントと前記増幅器エレメントの入力デバイスは前記の基板を周囲の導電型とは逆の導電型の一つまたは複数のウェルの内部に配置されていて、前記ウェルの電位を前記第1プレートの電位に追従させる手段を備える請求項4に記載の電圧記憶回路。The input switch element and the input element of the amplifier element are formed on one substrate, and the substrate is disposed in one or more wells having a conductivity type opposite to the surrounding conductivity type. The voltage storage circuit according to claim 4, further comprising means for causing the potential of the well to follow the potential of the first plate. 前記スイッチング電極電位は前記出力信号から導出される請求項2乃至5の何れか1項に記載の電圧記憶回路。  The voltage storage circuit according to claim 2, wherein the switching electrode potential is derived from the output signal. 前記スイッチ駆動手段は、前記出力ターミナルに接続されていて、受信されるスイッチング信号に基づいて、前記入力スイッチエレメントをオン状態に保持するためにはオン電位を、又は前記の入力スイッチエレメントをオフ状態に保持するためにはオフ電位を、前記スイッチング電極に加えるように動作し、前記オンとオフの電位は前記出力ターミナルの電位に対してそれぞれ実質的に固定されるが互いに予め設定された値だけ異なる請求項6に記載の電圧記憶回路。Said switch driving means, which is connected to the output terminal, based on the switching signal received, the ON potential is to hold the input switch element to the ON state, or off the input switch element off potential to hold the state, the work to add to the switching electrodes, wherein at the on and off potential is substantially fixed respectively relative to the potential of the output terminal is set in advance to each other values The voltage storage circuit according to claim 6, which differs only by. 前記出力ターミナルの電位に対してそれぞれ固定された電位となるために前記出力ターミナルに接続されている第1と第2バイアスラインを備え、第2バイアスラインの電位は前記オンとオフの電位の一つと等しくて且つ前記第1と第2バイアスライン間の電位差は前記予め設定された値より大きいか或いは等しく、
前記スイッチ駆動手段は、ブートストラップコンデンサーを備えており、該ブートストラップコンデンサーの一つのプレートは、前記スイッチング電極電位を与えるようにスイッチング電極に接続されていて、且つ前記ブートストラップコンデンサーの両方のプレートと前記バイアスラインに接続されている接続手段も備えており、
該接続手段は、スイッチング電極電位がオンとオフの電位の一つからこれらの電位の他のものに変えられる時に、前記ブートストラップコンデンサーの前記一つのプレートを前記第2バイアスラインに接続し、前記ブートストラップコンデンサーの他方のプレートを前記第2バイアスラインに接続するように作動する充電構成から、前記一つのプレートを第2バイアスラインから分離し、前記他方のプレートを前記第2バイアスラインに接続するように作動する浮遊構成に切り替えることができ、これにより前記一つのプレートの電位が第2バイアスラインの電位から前記予め設定された値だけ異なる電位に変えられることを可能にした請求項7に記載の電圧記憶回路。
The first being connected to said output terminal to a potential which is fixed respectively relative to the potential of said output terminal comprising a second bias line, the potential of the second bias line potential of the on and off one and equally and the potential difference between the first and second bias lines is greater or equal than the value set before Ki予 Me,
It said switch drive means comprises a bootstrap capacitor, one plate of the bootstrap capacitor is pre SL be connected to the switching electrode to provide a switching electrode potential, and plates of both of said bootstrap capacitor And connecting means connected to the bias line,
The connecting means connects the one plate of the bootstrap capacitor to the second bias line when the switching electrode potential is changed from one of on and off potentials to another of these potentials, and From a charging configuration that operates to connect the other plate of the bootstrap capacitor to the second bias line, the one plate is separated from the second bias line, and the other plate is connected to the second bias line. 8. The floating configuration as described above, wherein the potential of the one plate can be changed from the potential of the second bias line to a potential different by the preset value. Voltage storage circuit.
前記出力ターミナルの電位に対してそれぞれ固定された電位となるために前記出力ターミナルに接続されている第1と第2と第3のバイアスラインを備え、該第3バイアスラインの電位は前記オンとオフの電位の一つと等しく且つ前記第1と第2バイアスライン間の電位差は前記の予め設定された値より大きいか或いは等しく、
前記スイッチ駆動手段は、ブートストラップコンデンサーを備えており、該ブートストラップコンデンサーの前記一つのプレートは前記スイッチング電極電位を与えるように前記スイッチング電極に接続されており、且つ前記ブートストラップコンデンサーの両方のプレートと前記バイアスラインに接続されている接続手段も備えており、
該接続手段は、スイッチング電極電位がオン状態とオフ状態の電位の一つからこれらの電位の他のものに変えられる時に、前記ブートストラップコンデンサーの前記一つのプレートを前記第3バイアスラインに接続し、前記ブートストラップコンデンサーの前記他方のプレートを前記第1バイアスラインに接続するように作動する充電構成から、前記ブートストラップコンデンサーの前記一つのプレートを第3バイアスラインから分離し、前記他方のプレートを前記第2バイアスラインに接続するように作動する浮遊構成に切り替えることができ、これにより前記一つのプレートの電位が第3バイアスラインの電位から前記の予め設定された値だけそれと異なる電位に変えられることが可能である請求項7に記載の電圧記憶回路。
With the output terminals respectively fixed potential and the first that is connected to the output terminal to the second and the third bias line relative to the potential of the potential of the third bias lines the ON And the potential difference between the first and second bias lines is greater than or equal to the preset value,
Said switch drive means comprises a bootstrap capacitor, said one plate of said bootstrap capacitor is connected to the switching electrode to provide the switching electrode potential, and plates of both of said bootstrap capacitor And connecting means connected to the bias line,
The connecting means connects the one plate of the bootstrap capacitor to the third bias line when the switching electrode potential is changed from one of the on-state potential and the off-state potential to another of these potentials. Separating the one plate of the bootstrap capacitor from a third bias line from a charging configuration that operates to connect the other plate of the bootstrap capacitor to the first bias line; It is possible to switch to a floating configuration that operates to connect to the second bias line, whereby the potential of the one plate is changed from the potential of the third bias line to a different potential by the preset value. The voltage storage circuit according to claim 7, which is possible.
前記電気入力スイッチエレメントはMOSFETトランジスターであり、且つ前記のオンとオフの電位の一つが前記出力ターミナルの電位と実質的に同じである請求項7、8又は9の何れか1項に記載の電圧記憶回路。  10. A voltage as claimed in any one of claims 7, 8 or 9, wherein the electrical input switch element is a MOSFET transistor and one of the on and off potentials is substantially the same as the potential of the output terminal. Memory circuit. 1つまたは複数の導電性シールドがそのウェル或いは各ウェルの部分に延長されていて、なおかつ、そのシールド或いは各シールドの電位を前記第1のプレートの電位に追従させる手段も備えている請求項1、2、3又は5に記載の電圧記憶回路。  The one or more conductive shields are extended to the wells or portions of each well, and further comprise means for causing the potential of the shields or shields to follow the potential of the first plate. The voltage storage circuit according to 2, 3, or 5. 前記増幅器エレメントは、実質的に同一な第1回路部と第2回路部からなり、The amplifier element comprises a first circuit portion and a second circuit portion that are substantially the same,
前記第1回路部は、前記FET入力トランジスタと前記カスケードFETトランジスタを含み、  The first circuit unit includes the FET input transistor and the cascade FET transistor,
前記第2回路部は、前記電流ソースを含む請求項1から10の何れか1項に記載の電圧記憶回路。  The voltage storage circuit according to claim 1, wherein the second circuit unit includes the current source.
前記増幅器エレメントは、実質的に同一な第1回路部と第2回路部からなり、The amplifier element comprises a first circuit portion and a second circuit portion that are substantially the same,
前記第1回路部は、前記FET入力トランジスタと前記カスケードFETトランジスタを含み、  The first circuit unit includes the FET input transistor and the cascade FET transistor,
前記第2回路部は、前記電流ソースを含み、  The second circuit unit includes the current source,
前記第1回路部は前記ウェルの内部に配置され、前記第2回路部は基板周囲の導電型とは逆の導電型を有する更なるウェルの内部に形成され、該ウェルの電位は回路の電源ラインの電位に対して実質的に固定されている請求項1、2、3、5、又は12の何れか1項に記載の電圧記憶回路。  The first circuit portion is disposed in the well, the second circuit portion is formed in a further well having a conductivity type opposite to the conductivity type around the substrate, and the potential of the well is a power source of the circuit 13. The voltage storage circuit according to claim 1, wherein the voltage storage circuit is substantially fixed with respect to the potential of the line.
前記入力電位保持手段は、前記入力スイッチエレメントと直列に接続されていて、なおかつ、前記入力スイッチエレメントがオフ状態に変えられた後に、そのエレメントの入力側を前記入力ターミナルから分離するように作動できる更なるスイッチエレメントを備えている請求項3、4又は5の何れか1項に記載の電圧記憶回路。  The input potential holding means is connected in series with the input switch element, and is operable to separate the input side of the element from the input terminal after the input switch element is changed to an off state. The voltage storage circuit according to claim 3, further comprising a switch element. 前記入力電位保持手段は前記入力スイッチエレメントの入力側と前記記憶コンデンサーの前記第2プレートの間に接続されている補助コンデンサーを更に備えている請求項14に記載の電圧記憶回路。  15. The voltage storage circuit according to claim 14, wherein the input potential holding means further includes an auxiliary capacitor connected between an input side of the input switch element and the second plate of the storage capacitor. 前記入力電位保持手段は、前記増幅器エレメントと前記入力スイッチエレメントの入力側の間に接続されているフィードバックスイッチエレメントを更に備え、該フィードバックスイッチエレメントは、前記入力スイッチエレメントの入力側が分離されている間に、記憶コンデンサーの前記第1プレートの電位から導出された電位を加えるように作動するフィードバックスイッチエレメントを更に備えている請求項14又は15に記載の電圧記憶回路。The input potential holding means further includes a feedback switch element connected between the amplifier element and the input side of the input switch element, the feedback switch element being separated while the input side of the input switch element is separated. a voltage storage circuit according to claim 14 or 15 further comprises a hydraulic Sulf I over-back switch element to apply a potential derived from the potential of the first plate of the storage capacitor. 前記増幅器エレメントが実質的に単一の利得を備えている請求項1乃至16の何れか1項に記載の電圧記憶回路。  17. A voltage storage circuit according to any one of the preceding claims, wherein the amplifier element has a substantially unity gain. 作動中に、第1と第2と第3の電位が加えられる第1と第2と第3の入力ノードと、
圧記憶回路と、
該電圧記憶回路の出力ターミナルに接続されている出力ノードと、
前記入力ノードと前記電圧記憶回路に接続されていて、電圧記憶回路の入力スイッチエレメントがオフ状態に変えられた後に、入力構成から出力構成に切り替わることができるスイッチング手段とを備える電圧加算回路であって、
前記電圧記憶回路は、
前記電圧記憶回路の入力ターミナルに入力スイッチエレメントを介して接続された第1プレートと、前記電圧記憶回路の共通ターミナルに接続された第2プレートとを有する記憶コンデンサーと、
前記第1プレートに接続された入力と、前記電圧記憶回路の出力ターミナルに接続された出力を有し、前記電圧記憶回路の差動中に、前記出力ターミナルの電位が前記1プレートの電位に実質的に等しい単一ゲインの増幅器エレメントとを備え、
前記増幅器エレメントは、前記第1プレートに接続されたゲート電極を有したFET入力トランジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極に接続された電流ソースと、
前記FET入力トランジスタのドレイン電極に直列に接続されるカスケードFETトラ ンジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極と前記カスケードFETトランジスタのゲート電極との間に接続され、該電極間の電位差を実質的に一定に維持するバイアス生成器とを含み、
前記スイッチング手段の前記入力構成は、前記第1と第2の入力ノードを電圧記憶回路の各入力ターミナルと共通ターミナルに接続して、前記電圧記憶回路の記憶コンデンサーの前記第1と第2の電位間の電位差の記憶を可能にし、前記の出力構成は前記電圧記憶回路の共通ターミナルを前記第3入力ノードに接続して、前記出力ノードに於いて前記第3の電位と前記第1と第2の電位間の記憶されている差の合計と実質的に等しい出力電位を生成する電圧加算回路。
First, second and third input nodes to which first, second and third potentials are applied during operation;
A voltage storage circuit,
An output node connected to the output terminal of the voltage storage circuit;
Be connected to the voltage storage circuit and said input node, after the input switch element of the voltage storage circuit is changed to the off state, voltage addition circuit and a switching means that can be switched to the output consists input configuration There,
The voltage storage circuit is
A storage capacitor having a first plate connected to an input terminal of the voltage storage circuit via an input switch element; and a second plate connected to a common terminal of the voltage storage circuit;
An input connected to the first plate and an output connected to the output terminal of the voltage storage circuit, and during the differential of the voltage storage circuit, the potential of the output terminal is substantially equal to the potential of the one plate. And a single-gain amplifier element,
The amplifier element includes a FET input transistor having a gate electrode connected to the first plate;
A current source connected to the source electrode of the FET input transistor;
Cascade FET tiger Njisuta connected in series to the drain electrode of the FET input transistors,
A bias generator connected between a source electrode of the FET input transistor and a gate electrode of the cascade FET transistor and maintaining a potential difference between the electrodes substantially constant;
The input configuration of the switching means is configured such that the first and second input nodes are connected to respective input terminals and a common terminal of the voltage storage circuit, and the first and second potentials of the storage capacitor of the voltage storage circuit. The output configuration connects the common terminal of the voltage storage circuit to the third input node, and the third potential and the first and second at the output node. A voltage summing circuit that generates an output potential that is substantially equal to the sum of the stored differences between the two potentials.
作動中に、第1のペアの入力電圧が加えられる第1と第2の入力ノード、第2のペアの入力電圧が加えられる第3と第4の入力ノード、及び第3のペアの入力電圧が加えられる第5と第6の入力ノードと、
1及び第2電圧記憶回路と、
前記第1及び第2電圧記憶回路の各出力ターミナルに接続されている第1と第2の出力ノードと、
前記入力ノードと前記第1及び第2電圧記憶回路に接続されていて、前記第1及び第2電圧記憶回路のそれぞれの入力スイッチエレメントがオフ状態に変えられた後に、入力構成から出力構成に切り替わることができるスイッチング手段とを備える電圧加算回路であって、
前記第1及び第2の各電圧記憶回路は、
前記電圧記憶回路の入力ターミナルに入力スイッチエレメントを介して接続された第1プレートと、前記電圧記憶回路の共通ターミナルに接続された第2プレートとを有する記憶コンデンサーと、
前記第1プレートに接続された入力と、前記電圧記憶回路の出力ターミナルに接続された出力を有し、前記電圧記憶回路の差動中に、前記出力ターミナルの電位が前記1プレートの電位に実質的に等しい単一ゲインの増幅器エレメントとを備え、
前記増幅器エレメントは、前記第1プレートに接続されたゲート電極を有したFET入力トランジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極に接続された電流ソースと、
前記FET入力トランジスタのドレイン電極に直列に接続されるカスケードFETトランジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極と前記カスケードFETトランジスタのゲート電極との間に接続され、該電極間の電位差を実質的に一定に維持するバイアス生成器とを含み、
前記スイッチング手段の前記入力構成は、前記第1と第2の入力ノードを前記第1電圧記憶回路の各入力ターミナルと共通ターミナルに接続し且つ前記の第3と第4の入力ノードを前記第2電圧記憶回路の各入力ターミナルと共通ターミナルにも接続して、前記第1電圧記憶回路の前記記憶コンデンサーに於いて、前記第1ペアの2つの入力電圧の間の第1の電位差の記憶を可能にし、前記第2電圧記憶回路の前記記憶コンデンサーに於いて、前記第2ペアの2つの入力電圧の間の第2の電位差の記憶を可能にし、なおかつ、前記出力構成は第1と第2の電圧記憶回路の各々共通ターミナルを第5と第6の入力ノードにそれぞれ接続して、前記第1と第2の出力ノードの間でペアの出力電圧を生成し、その間の電位差は前記第3ペアの2つの入力電圧間の電位差と記憶されている第1と第2の電位差の間の差との合計に実質的に等しい電圧加算回路。
In operation, first and second input nodes to which a first pair of input voltages are applied, third and fourth input nodes to which a second pair of input voltages are applied, and a third pair of input voltages 5th and 6th input nodes to which
First and second voltage storage circuits;
First and second output nodes connected to respective output terminals of the first and second voltage storage circuits;
The input node is connected to the first voltage storage circuit and the first and second voltage storage circuits, and each input switch element of the first and second voltage storage circuits is changed to an off state, and then the input configuration is switched to the output configuration. it a voltage addition circuit and a switching means is Ru can,
The first and second voltage storage circuits are
A storage capacitor having a first plate connected to an input terminal of the voltage storage circuit via an input switch element; and a second plate connected to a common terminal of the voltage storage circuit;
An input connected to the first plate and an output connected to the output terminal of the voltage storage circuit, and during the differential of the voltage storage circuit, the potential of the output terminal is substantially equal to the potential of the one plate. And a single-gain amplifier element,
The amplifier element includes a FET input transistor having a gate electrode connected to the first plate;
A current source connected to the source electrode of the FET input transistor;
A cascade FET transistor connected in series to the drain electrode of the FET input transistor;
A bias generator connected between a source electrode of the FET input transistor and a gate electrode of the cascade FET transistor and maintaining a potential difference between the electrodes substantially constant;
The input configuration of the switching means includes connecting the first and second input nodes to each input terminal and a common terminal of the first voltage storage circuit and connecting the third and fourth input nodes to the second terminal. Connected to each input terminal and common terminal of the voltage storage circuit, the storage capacitor of the first voltage storage circuit can store the first potential difference between the two input voltages of the first pair. And allowing the storage capacitor of the second voltage storage circuit to store a second potential difference between the two input voltages of the second pair, and the output configuration includes first and second output configurations. A common terminal of each of the voltage storage circuits is connected to the fifth and sixth input nodes, respectively, to generate a pair of output voltages between the first and second output nodes, and a potential difference therebetween is the third pair. Two of Substantially equal to the voltage addition circuit to the sum of the difference between the first and the second potential difference is stored as the potential difference between the power voltage.
作動中に、2倍にされる入力電圧がその間に加えられる第1と第2の入力ノードと、
1及び第2電圧記憶回路と、
該第1及び第2の電圧記憶回路の各出力ターミナルにそれぞれ接続されている第1及び第2の出力ノードと、
前記入力ノードと前記第1及び第2電圧記憶回路に接続されていて、前記第1及び第2電圧記憶回路のそれぞれの入力スイッチエレメントがオフ状態に変えられた後に、入力構成から出力構成に切り替わることができるスイッチング手段とを備える倍電圧回路であって、
前記第1及び第2の各電圧記憶回路は、
前記電圧記憶回路の入力ターミナルに入力スイッチエレメントを介して接続された第1プレートと、前記電圧記憶回路の共通ターミナルに接続された第2プレートとを有する記憶コンデンサーと、
前記第1プレートに接続された入力と、前記電圧記憶回路の出力ターミナルに接続された出力を有し、前記電圧記憶回路の差動中に、前記出力ターミナルの電位が前記1プレートの電位に実質的に等しい単一ゲインの増幅器エレメントとを備え、
前記増幅器エレメントは、前記第1プレートに接続されたゲート電極を有したFET入力トランジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極に接続された電流ソースと、
前記FET入力トランジスタのドレイン電極に直列に接続されるカスケードFETトランジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極と前記カスケードFETトランジスタのゲート電極との間に接続され、該電極間の電位差を実質的に一定に維持するバイアス生成器とを含み、
前記スイッチング手段の前記入力構成は、前記第1入力ノードを前記第1電圧記憶回路の前記入力ターミナルと前記第2電圧記憶回路の前記共通ターミナルの両方に接続し且つ前記第2入力ノードを前記第2電圧記憶回路の前記入力ターミナルと前記第1電圧記憶回路の前記共通ターミナルの両方に接続して、前記電圧記憶回路の各記憶コンデンサーをそれぞれ前記の入力電圧に充電させることができ、前記出力構成は、第1と第2の電圧記憶回路の各共通ターミナルを互いに接続して前記記憶コンデンサーは前記第1と第2の出力ノードの間で互いに直列に接続され、これらの出力ノードの間で前記入力電圧の実質的に2倍になる出力電圧を生成する倍電圧回路。
First and second input nodes during which an input voltage that is doubled is applied during operation;
First and second voltage storage circuits;
First and second output nodes respectively connected to the output terminals of the first and second voltage storage circuits;
The input node is connected to the first voltage storage circuit and the first and second voltage storage circuits, and each input switch element of the first and second voltage storage circuits is changed to an off state, and then the input configuration is switched to the output configuration. it a voltage doubler circuit and a switching means is Ru can,
The first and second voltage storage circuits are
A storage capacitor having a first plate connected to an input terminal of the voltage storage circuit via an input switch element; and a second plate connected to a common terminal of the voltage storage circuit;
An input connected to the first plate and an output connected to the output terminal of the voltage storage circuit, and during the differential of the voltage storage circuit, the potential of the output terminal is substantially equal to the potential of the one plate. And a single-gain amplifier element,
The amplifier element includes a FET input transistor having a gate electrode connected to the first plate;
A current source connected to the source electrode of the FET input transistor;
A cascade FET transistor connected in series to the drain electrode of the FET input transistor;
A bias generator connected between a source electrode of the FET input transistor and a gate electrode of the cascade FET transistor and maintaining a potential difference between the electrodes substantially constant;
The input configuration of the switching means connects the first input node to both the input terminal of the first voltage storage circuit and the common terminal of the second voltage storage circuit and connects the second input node to the first input node. Connected to both the input terminal of the two voltage storage circuit and the common terminal of the first voltage storage circuit, each storage capacitor of the voltage storage circuit can be charged to the input voltage, respectively, and the output configuration Each of the common terminals of the first and second voltage storage circuits are connected to each other, and the storage capacitor is connected in series between the first and second output nodes, and between the output nodes, the storage capacitors are connected to each other. A voltage doubler circuit that generates an output voltage that is substantially twice the input voltage.
請求項20に記載の倍電圧回路と、
前記入力電圧と等しいか或いはそれから誘導される作動電圧を受けるように接続され且つ比較電位を受けるように接続されていて且つ前記作動電圧と前記比較電位を比較して比較の結果を示すデジタルデータを出力するコンパレーター手段と、
前記第1と第2の電圧記憶回路の各共通ターミナルの間に接続されていて、なおかつ、前記のスイッチング手段が前記入力構成から前記出力構成に切り替えられた後に、これらのターミナルの間に、前記デジタルデータに依って、複数の予め設定された値から選択された値をもつオフセット電圧を印加して、前記出力ノードの間に、前記入力電圧の2倍から選択されたオフセット電圧だけ異なるアナログ変換電圧を生成する電圧調整手段とを備えている電圧変換ステージ。
A voltage doubler circuit according to claim 20;
Digital data connected to receive an operating voltage equal to or derived from the input voltage and connected to receive a comparison potential, and comparing the operation voltage with the comparison potential to indicate a comparison result; Comparator means for outputting;
Connected between the common terminals of the first and second voltage storage circuits, and after the switching means has been switched from the input configuration to the output configuration, between these terminals, Applying an offset voltage having a value selected from a plurality of preset values depending on the digital data, and an analog conversion different between the output nodes by an offset voltage selected from twice the input voltage A voltage conversion stage comprising voltage adjusting means for generating a voltage.
前記電圧記憶回路のスイッチング手段が前記入力構成にある間に、前記コンパレーター手段が前記比較を実行する請求項21に記載の電圧変換ステージ。  The voltage conversion stage according to claim 21, wherein the comparator means performs the comparison while the switching means of the voltage storage circuit is in the input configuration. 前記コンパレーター手段は、前記第1と第2の入力ノードに接続され、前記入力電圧は前記作動電圧になり、
前記入力電圧が前記比較電位×(−1)より小さい時に第1のデジタルデータを与え、
前記入力電圧が前記比較電位より大きいか等しい時に第2のデジタルデータを与え、
前記入力電圧が前記比較電位より小さく且つ前記比較電位×(−1)より大きいか等しい時に第3のデジタルデータを与え、
ここで、前記第1のデジタルデータによって選択されたオフセット電圧は+Vrefであり、
前記第2のデジタルデータによって選択されたオフセット電圧は−Vrefであり、
前記第3のデジタルデータによって選択されたオフセット電圧はゼロであり、
また、前記比較電位は実質的にVref/4である請求項21又は22に記載の電圧変換ステージ。
The comparator means is connected to the first and second input nodes, and the input voltage becomes the operating voltage;
When the input voltage is smaller than the comparison potential × (−1), first digital data is given,
Providing second digital data when the input voltage is greater than or equal to the comparison potential;
Providing third digital data when the input voltage is smaller than the comparison potential and greater than or equal to the comparison potential × (−1);
Here, the offset voltage selected by the first digital data is + Vref,
The offset voltage selected by the second digital data is −Vref,
The offset voltage selected by the third digital data is zero;
The voltage conversion stage according to claim 21 or 22, wherein the comparison potential is substantially Vref / 4 .
各々が請求項21から23の何れか1項に記載の電圧変換ステージであって、デジタル化されるアナログ電圧が列の第1ステージの前記第1と第2の入力ノードの間に加えられ、それぞれ後のステージの前記第1と第2の入力ノードは直前のステージの第1と第2の出力ノードにそれぞれ接続されている列状に接続されたN個のステージと、
連続した前記ステージの各スイッチング手段を前記入力構成から前記出力構成に切り替えさせるように作動し、該切り替えは、ステージのそれぞれに於いて、第1ステージを除いて、直前のステージのスイッチング手段は出力構成にあるので前記切り替えの前にステージはその入力電圧としてその直前のステージに依って生成されたアナログ変換電圧を受信し、それに基づいたアナログ変換電圧をスイッチング後に生成するように制御する制御手段と、
前記N個のステージに依って与えられた前記デジタル・データを受信するように接続されていて、そこから加えられたアナログ電圧を表す、N+1ビットのデジタル出力ワードを導出するように作動するデータ処理手段を備えるアナログ・デジタル・コンバーター。
Each I Oh voltage conversion stage according to any one of claims 21 23, the analog voltage being digitized is applied between said first and second input nodes of the first stage of the column The first and second input nodes of each subsequent stage are connected in rows to the first and second output nodes of the immediately preceding stage, respectively,
Each switching means of consecutive said stage operated from the entering force configured to switch on the output configuration, the switching, at each stage, except the first stage, the switching means of the preceding stage Since it is in an output configuration, before the switching, the stage receives the analog conversion voltage generated by the immediately preceding stage as its input voltage and controls to generate the analog conversion voltage based on the analog conversion voltage after switching When,
Data processing connected to receive the digital data provided by the N stages and operative to derive an N + 1 bit digital output word representing the applied analog voltage therefrom Analog-to-digital converter with means.
交互に第1と第2のクロック位相で作動、前記制御手段は、前記第1クロック位相に於いて列の奇数ステージの各スイッチング手段を入力構成に保持し、偶数ステージの各スイッチング手段を前記の出力構成に保持するが、前記の第2クロック位相に於いては、偶数ステージの各スイッチング手段を前記入力構成に保持し、奇数ステージの各スイッチング手段を出力構成に保持するように作動する請求項24に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。Alternately operating at the first and second clock phases, the control means retains the switching means of the odd stage of the column in the input configuration at the first clock phase, and the switching means of the even stage. But in the second clock phase, the switching means of the even stage is held in the input configuration, and the switching means of the odd stage is operated to be held in the output configuration. Item 25. The analog-digital converter according to item 24. 列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、ペアの第2ステージの前記第1と第2の電圧記憶回路の各記憶コンデンサーは、ペアの第1ステージの同等の記憶コンデンサーより静電容量が小さい請求項24または25に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  For at least one pair of adjacent stages in a column, each storage capacitor of the first and second voltage storage circuits of the second stage of the pair is more capacitive than an equivalent storage capacitor of the first stage of the pair 26. An analog-to-digital converter according to claim 24 or 25, wherein: 或るペア或いは各ペアの2つのステージの記憶コンデンサーの静電容量の比率が約2:1である請求項26に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  27. The analog to digital converter of claim 26, wherein the ratio of the capacitance of the storage capacitors of a pair or two stages of each pair is about 2: 1. 列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、ペアの第2ステージの前記第1と第2の電圧記憶回路の各増幅器エレメントの入力トランジスタは、ペアの第1ステージの同等の入力トランジスタより幅が狭い請求項25または27の何れか1項に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。For at least one pair of adjacent stages in the column, the input transistor of each amplifier element of the first and second voltage storage circuits of the second stage of the pair is more than the equivalent input transistor of the first stage of the pair. 28. An analog to digital converter according to any one of claims 25 or 27, wherein the width is narrow. 或るペア或いは各ペアの2つのステージの入力トランジスタの幅の比率が約2:1である請求項28に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。29. The analog to digital converter of claim 28, wherein the ratio of the width of the input transistors of the two stages of a pair or each pair is about 2: 1. 列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、ペアの第2ステージの前記第1と第2の電圧記憶回路の増幅器エレメントの入力トランジスタの制御可能な電流路の各電流はペアの第1ステージの同等の電流より小さい請求項24から29の何れか1項に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。For at least one pair of adjacent stages of the column, each current in the controllable current path of the input transistor of the amplifier element of the first and second voltage storage circuit of the second stage of the pair is the first of the pair 30. The analog to digital converter of any one of claims 24 to 29, wherein the analog to digital converter is less than an equivalent current of the stage. 或るペア或いは各ペアの2つのステージの電流比が約2:1である請求項30に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  31. The analog to digital converter of claim 30, wherein the current ratio of the two stages of a pair or each pair is about 2: 1. コンバーターの2番目からn番目のステージの各々に於いて、ステージの前記第1と第2の電圧記憶回路の各記憶コンデンサーは、それぞれ直前のステージの同等の記憶コンデンサーの静電容量に対して、これらの2番目からn番目のステージにかけて一定である第1スケーリングファクターに依って減少される請求項24または25に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  In each of the second to nth stages of the converter, each storage capacitor of the first and second voltage storage circuits of the stage is respectively compared with the capacitance of the equivalent storage capacitor of the immediately preceding stage. 26. An analog to digital converter as claimed in claim 24 or 25, which is reduced by a first scaling factor which is constant from the second to the nth stage. 前記の第1スケーリングファクターが約2である請求項32に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  The analog-to-digital converter of claim 32, wherein the first scaling factor is approximately two. 2番目からn番目のステージの各々に於いて、ステージの各電圧記憶回路の増幅器エレメントの入力デバイスは、直前のステージの同等の増幅器エレメントの入力デバイスのチャンネル幅に対して、これらの2番目からn番目のステージにかけて一定である第2スケーリングファクターに依って減少されるチャンネル幅となる請求項24、25、32又は33のいずれか1項に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  In each of the second to nth stages, the input device of the amplifier element of each voltage storage circuit of the stage is from these second to the channel width of the input device of the equivalent amplifier element of the previous stage. 34. An analog to digital converter according to any one of claims 24, 25, 32 or 33, wherein the channel width is reduced by a second scaling factor which is constant over the nth stage. 前記の第2スケーリングファクターが約2である請求項34に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  35. The analog to digital converter of claim 34, wherein the second scaling factor is approximately two. コンバーターの2番目からn番目のステージの各々に於いて、ここで2≦n≦Nの時に、ステージの増幅器エレメントの入力デバイスの前記の制御可能な電流路の各々の電流は、直前のステージの同等の制御可能な電流路の電流に対して、これらの2番目からn番目のステージにかけて一定である第3スケーリング・ファクターに依って減少されるように制御される、請求項24、26、32、33、34、又は35のいずれか1項に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  In each of the second to nth stages of the converter, where 2 ≦ n ≦ N, the current in each of the controllable current paths of the input device of the stage amplifier element is the current of the previous stage. 33. Controlled to be reduced by a third scaling factor that is constant over these second to nth stages for equivalent controllable current path currents. 36. The analog-digital converter according to any one of 33, 34, or 35. 前記の第3スケーリングファクターが約2である請求項36に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  38. The analog to digital converter of claim 36, wherein the third scaling factor is approximately two. 列の隣接するステージの少なくとも1つのペアに対して、ぺアの第2ステージにおけるオフセット電圧の前記の予め設定された値の少なくとも1つが、ペアの第1ステージのオフセット電圧の対応する予め設定された値と比較されて部分的に調整される請求項24から37のいずれか1項に記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  For at least one pair of adjacent stages of the column, at least one of the preset values of the offset voltage in the second stage of the pair is set to a corresponding preset of the offset voltage of the first stage of the pair. 38. The analog-to-digital converter according to any one of claims 24 to 37, wherein the analog-to-digital converter is partially adjusted in comparison with the measured value. 前記のデータ処理手段が、シリーズの後のステージの各コンパレーター手段に依って与えられるデジタルデータを、これらの後のステージに於ける電圧変換エラーの補正を促すために、部分的に調整するように作動する請求項24から38のいずれかに記載のアナログ・デジタル・コンバーター。  The data processing means adjusts in part the digital data provided by each comparator means in the subsequent stages of the series to facilitate correction of voltage conversion errors in these subsequent stages. 39. An analog-to-digital converter according to any of claims 24 to 38, which operates in the following manner. それぞれが請求項21から23のいずれか1項に記載の電圧変換ステージであり、第1ステージの前記第1と第2の出力ノードは第2ステージのそれぞれの第1と第2の入力ノードに接続されていて且つ前記の第2ステージの前記第1と第2の出力ノードは第1ステージのそれぞれの第1と第2の入力ノードに接続されるように互いに接続されていて、デジタル化されたアナログ電圧は、コンバーターの反復変換動作の開始時に、前記の第1ステージの第1と第2の入力ノードの間に加えられる第1と第2のステージと、
該第1と第2のステージのスイッチング手段が、第1ステージから始まって、前記入力構成から前記出力構成に交互に切り替えられるように作動し、前記スイッチングは他のステージのスイッチング手段が出力構成にある時に或るステージで行われるように制御されるのでこのスイッチングの前に切り替えられた或るステージはその入力電圧として他のステージに依って生成されたアナログ変換電圧を受信し且つそのアナログ変換電圧をそれに基づいてこのスイッチング後に生成するようにする制御手段と、
前記の反復変換動作の過程で第1と第2のステージに依って交互に与えられる前記のデジタル・データを受信するために接続されていて且つそこから加えられたアナログ電圧を示すデジタル出力ワードを導くように作動するデータ処理手段とを備えるアナログ・デジタル・コンバーター。
24. Each of the voltage conversion stages according to claim 21, wherein the first and second output nodes of the first stage are connected to the first and second input nodes of the second stage, respectively. The first and second output nodes of the second stage are connected to each other so as to be connected to respective first and second input nodes of the first stage and are digitized. First and second stages applied between the first and second input nodes of the first stage at the beginning of the iterative conversion operation of the converter;
The switching means of the first and second stages start from the first stage and operate so as to be switched alternately from the input configuration to the output configuration, and the switching is switched to the output configuration by the switching means of the other stages. Since it is controlled to be performed at a certain stage at a certain time, a certain stage switched before this switching receives an analog conversion voltage generated by another stage as its input voltage and the analog conversion voltage Control means based on this to generate after this switching;
A digital output word connected to receive the digital data applied alternately by the first and second stages in the course of the iterative conversion operation and indicating an analog voltage applied therefrom; An analog-to-digital converter with data processing means operating to guide.
第1及び第2のクロック位相で交互に動作するアナログ・デジタル・コンバーターであって、
コンバーターの動作中にデジタル化されるアナログ入力電圧が印加される第1及び第2入力ノードと、
それぞれ第1及び第2記憶コンデンサーと入力及び出力ターミナルを有する単位利得の増幅器エレメントとを含む第1及び第2の電圧記憶回路と、
クロックの第1の位相の間、前記第1電圧記憶回路の入力ターミナルを第1入力ノードに接続し、前記第2電圧記憶回路の入力ターミナルを第2入力ノードに接続するように動作する入力サンプリング手段と、
第1及び第2の電圧記憶回路の増幅器エレメント出力ターミナルにそれぞれ接続された第1及び第2出力ノードと、
第1及び第2出力ノードに接続され、更に比較電位を受けるように接続され、各クロック位相において、第1と第2出力ノード間の電位差と比較電位との比較を行い、比較結果を示すデジタルデータを与えるコンパレーター手段と、
1組の接続ターミナルを有しており、各クロック位相において、直前のクロック位相で前記コンパレーター手段によって与えられたデジタルデータに従って、複数のあらかじめ定められた値から選択した値を有するオフセット電圧を、これらのターミナル間に印加するように動作する電圧調整手段と、
クロックの第1位相において、2個の第1記憶コンデンサーと接続ターミナルを前記増幅器エレメントの各入力ターミナル間に直列に接続し、第2記憶コンデンサーを第1及び第2出力ノード間に互いに平行になるように接続するように動作し、クロックの第2位相においては、2個の第2記憶コンデンサーと接続ターミナルを増幅器エレメントの各入力ターミナル間に直列に接続し、第1記憶コンデンサーを第1及び第2出力ノード間に互いに平行になるように接続するように動作するスイッチング手段と、
クロックの複数の位相に渡って、前記コンパレーター手段によって与えられたデジタルデータを受けるように接続されており、それから印加されたアナログ入力電圧を表すデジタル出力ワードを導出するように動作するデータ処理手段とを備え
前記第1及び第2の各電圧記憶回路は、
前記電圧記憶回路の入力ターミナルに入力スイッチエレメントを介して接続された第1プレートと、前記電圧記憶回路の共通ターミナルに接続された第2プレートとを有する記憶コンデンサーと、
前記第1プレートに接続された入力と、前記電圧記憶回路の出力ターミナルに接続された出力を有し、前記電圧記憶回路の差動中に、前記出力ターミナルの電位が前記1プレートの電位に実質的に等しい単一ゲインの増幅器エレメントとを備え、
前記増幅器エレメントは、前記第1プレートに接続されたゲート電極を有したFET入力トランジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極に接続された電流ソースと、
前記FET入力トランジスタのドレイン電極に直列に接続されるカスケードFETトランジスタと、
前記FET入力トランジスタのソース電極と前記カスケードFETトランジスタのゲート電極との間に接続され、該電極間の電位差を実質的に一定に維持するバイアス生成器とを含むアナログ・デジタル・コンバーター。
An analog-to-digital converter operating alternately with first and second clock phases,
First and second input nodes to which an analog input voltage that is digitized during operation of the converter is applied;
First and second voltage storage circuits each including first and second storage capacitors and unity gain amplifier elements having input and output terminals;
Input sampling operative to connect an input terminal of the first voltage storage circuit to a first input node and connect an input terminal of the second voltage storage circuit to a second input node during a first phase of a clock. Means,
First and second output nodes respectively connected to the amplifier element output terminals of the first and second voltage storage circuits;
A digital signal connected to the first and second output nodes and connected to receive a comparison potential, and compares the potential difference between the first and second output nodes with the comparison potential at each clock phase, and shows the comparison result. A comparator means for providing data;
An offset voltage having a value selected from a plurality of predetermined values according to the digital data provided by the comparator means at the immediately preceding clock phase, each having a set of connection terminals; Voltage adjusting means operating to apply between these terminals;
In the first phase of the clock, two first storage capacitors and connection terminals are connected in series between the input terminals of the amplifier element, and the second storage capacitors are parallel to each other between the first and second output nodes. In the second phase of the clock, two second storage capacitors and a connection terminal are connected in series between each input terminal of the amplifier element, and the first storage capacitor is connected to the first and second storage capacitors. Switching means operating to connect the two output nodes in parallel with each other;
Data processing means connected to receive the digital data provided by said comparator means over a plurality of phases of the clock and operative to derive a digital output word representing an analog input voltage applied therefrom equipped with a door,
The first and second voltage storage circuits are
A storage capacitor having a first plate connected to an input terminal of the voltage storage circuit via an input switch element; and a second plate connected to a common terminal of the voltage storage circuit;
An input connected to the first plate and an output connected to the output terminal of the voltage storage circuit, and during the differential of the voltage storage circuit, the potential of the output terminal is substantially equal to the potential of the one plate. And a single-gain amplifier element,
The amplifier element includes a FET input transistor having a gate electrode connected to the first plate;
A current source connected to the source electrode of the FET input transistor;
A cascade FET transistor connected in series to the drain electrode of the FET input transistor;
An analog-to-digital converter comprising a bias generator connected between the source electrode of the FET input transistor and the gate electrode of the cascade FET transistor and maintaining the potential difference between the electrodes substantially constant .
1個のステージの出力は次のステージの入力になるように直列に接続された複数の相互に類似した電圧変換ステージを備えており、各ステージは、ステージの入力電圧を記憶するためにステージの入力に接続されるか又は選択的に接続される記憶コンデンサーと、記憶された入力電圧に依存するステージの出力電圧を提供するために記憶コンデンサーとステージの出力間に選択的に接続される増幅器エレメントとを有しており、列の最初のステージを除く少なくとも1ステージにおいては、記憶コンデンサー静電容量は直前のステージの記憶コンデンサー静電容量より小さいか、又は増幅器エレメントの入力トランジスターの幅は直前のステージの増幅器エレメントの入力トランジスターの幅より小さく、又は両方共に小さいことを特徴とするアナログ・デジタル・コンバーター。The output of one stage comprises a plurality of mutually similar voltage conversion stages connected in series so that it becomes the input of the next stage, each stage having a stage input voltage for storing the stage input voltage. A storage capacitor connected to the input or selectively connected and an amplifier element selectively connected between the storage capacitor and the output of the stage to provide a stage output voltage dependent on the stored input voltage In at least one stage except the first stage of the row, the storage capacitor capacitance is less than the storage capacitor capacitance of the previous stage, or the width of the input transistor of the amplifier element is It is characterized by being smaller than the width of the input transistor of the stage amplifier element or both. Analog-to-digital converter.
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